金屬阻尼器快速計(jì)算問(wèn)題
土木君注:侯杰博士等直擊金屬阻尼器應(yīng)用痛點(diǎn),獨(dú)創(chuàng)性的解決了目前結(jié)構(gòu)分析軟件不能自動(dòng)修正金屬阻尼器的附加阻尼及附加剛度問(wèn)題,在此與同行分享,若需了解更多,可與侯博士或土木君聯(lián)系。
0 引 言
地震給人類(lèi)帶來(lái)了災(zāi)難,也促進(jìn)了結(jié)構(gòu)消能減震等工程技術(shù)的進(jìn)步。美國(guó)北嶺地震(1994年)和日本阪神地震(1995年)分別促進(jìn)了消能減震阻尼器在美國(guó)和日本的工程應(yīng)用,2008年汶川地震后我國(guó)也掀起了阻尼器應(yīng)用的新高潮。阻尼器通常分為位移相關(guān)型、速度相關(guān)型和其他類(lèi)型。其中金屬阻尼器和摩擦阻尼器屬于位移相關(guān)型,要求位移達(dá)到預(yù)定的啟動(dòng)限值才能發(fā)揮消能作用;而利用粘性、粘彈性材料制成的阻尼器屬于速度相關(guān)型,其性能與速度有關(guān)[1]。
三種常見(jiàn)阻尼器比較見(jiàn)表1,可知金屬阻尼器綜合性能突出:構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低且性能可靠,既可以配合隔震系統(tǒng),又可以單獨(dú)設(shè)置在相對(duì)變形較大的部位,來(lái)提供附加阻尼及附加剛度,應(yīng)用前景廣闊[2]。
當(dāng)前常用的結(jié)構(gòu)分析軟件PKPM(PMCAD SATWE),并不能自動(dòng)修正分析模型的附加阻尼及附加剛度,難以完成金屬阻尼器分析,因此有必要對(duì)PKPM(PMCAD SATWE)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)根據(jù)分析模型的樓層位移等信息,自動(dòng)修正附加阻尼及附加剛度,并且給出相應(yīng)的誤差評(píng)估。
1 基于PKPM反應(yīng)譜法的金屬阻尼器分析方法
1.1 基本假定
結(jié)構(gòu)的地震位移是往復(fù)振動(dòng):振動(dòng)幅值(即層位移Ui)取自SATWE反應(yīng)譜法得到的單向地震的層平均位移Ave-(X、Y);振動(dòng)周期取自SATWE反應(yīng)譜法得到的第一個(gè)單向平動(dòng)系數(shù)大于0.5的周期T1(X、Y);層間位移△Ui取為|Ui-Ui-1|,如圖1所示。
1.2 附加有效阻尼比計(jì)算
根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)12.3.4節(jié)規(guī)定,金屬阻尼器為整體結(jié)構(gòu)提供的附加有效阻尼比可按如下公式計(jì)算:
式中 ξa―― 消能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比;
Wcj―― 第 j 個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移 Δuj下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量;
Ws―― 設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。
1.3 金屬阻尼器滯回模型
根據(jù)金屬阻尼器實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并進(jìn)行理論簡(jiǎn)化,金屬阻尼器采用雙折線(xiàn)等強(qiáng)硬化滯回模型,卸載剛度與初始剛度相同,該模型僅需四個(gè)參數(shù)即可標(biāo)定:屈服位移Dy及屈服承載力Fy,極限位移Du及極限承載力Fu,如圖2所示。
1.4 迭代分析過(guò)程
金屬阻尼器提供附加阻尼的同時(shí),也提供了附加剛度,則在基于反應(yīng)譜法的金屬阻尼器分析方法中,需要不斷迭代分析(如圖3示),直至前后兩分析步的模型誤差(本文采用樓層位移的相對(duì)誤差表示)足夠?。ū疚囊?.5%為誤差限值),即可認(rèn)為在當(dāng)前分析步的分析模型中,附加阻尼、附加剛度與樓層位移之間達(dá)成平衡:以當(dāng)前的附加阻尼、附加剛度作為模型輸入,即可得到當(dāng)前的樓層位移,同時(shí),在當(dāng)前的樓層位移下,正好也能提供相同的附加阻尼、附加剛度。
圖3 金屬阻尼器迭代分析示意圖
Fig. 3 Iterative analysis display for mental energy dissipation device
2 分析軟件簡(jiǎn)介
本文針對(duì)PKPM(PMCAD SATWE)分析軟件的不足,研究了基于SATWE反應(yīng)譜法的金屬阻尼器近似分析方法的基本原理,在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了基于SATWE反應(yīng)譜法的金屬阻尼器近似分析軟件,能夠根據(jù)當(dāng)前分析模型的樓層位移,自動(dòng)修正附加阻尼及附加剛度,并且給出相應(yīng)的誤差評(píng)估。該軟件面向普通設(shè)計(jì)人員,力求簡(jiǎn)潔、完備,易于掌握。軟件輸入、輸出界面分別如圖4、圖5所示。
3 注意事項(xiàng)
(1)經(jīng)濟(jì)適用性:最好用于層間位移較大(?R5mm)的結(jié)構(gòu),如8度區(qū)較高的框架結(jié)構(gòu)。
(2)算法適用性:本軟件僅適合單塔分析模型,且結(jié)構(gòu)平面及立面應(yīng)規(guī)則、均勻[3],每層阻尼器應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)、均勻布置;本文采用強(qiáng)行解耦方法計(jì)算附加阻尼比,國(guó)內(nèi)外一些研究表明,當(dāng)阻尼器較均勻分布且阻尼比不大于20%時(shí),強(qiáng)行解耦與精確解的誤差大多可控制在5%以?xún)?nèi)[4];本文認(rèn)為,若樓層數(shù)大于10,則基于反應(yīng)譜法的金屬阻尼器簡(jiǎn)化分析方法可能引起較大誤差,請(qǐng)使用SAP2000或ETABS等軟件建立較為準(zhǔn)確的時(shí)程分析模型。
(3)阻尼器選型:若風(fēng)荷載不起控制作用,則可選取具有較小屈服位移(如1.5mm)的阻尼器,以便在地震荷載下較早屈服耗能。若風(fēng)荷載起控制作用,應(yīng)慎用金屬阻尼器,若使用,請(qǐng)選擇具有較大屈服位移的阻尼器,以保證在正常風(fēng)荷載作用下金屬阻尼器不發(fā)生疲勞破壞,確
保其抗震性能。
(4)已經(jīng)初步測(cè)試的PKPM2010版本:2012年1月版、3月版、6月版及V2.1版本。
(5)特別說(shuō)明:運(yùn)行金屬阻尼器分析之前,最好關(guān)閉360系列殺毒軟件,否則可能導(dǎo)致程序不能自動(dòng)修改SATWE模型。
(6)特別申明:在軟件的準(zhǔn)確性或可靠性上,作者未做任何直接或暗示性的擔(dān)保,使用者必須獨(dú)立地核查結(jié)果。
4 分析軟件測(cè)試
針對(duì)一個(gè)8度區(qū)7層(第1層為地框?qū)樱┑牡湫涂蚣芙Y(jié)構(gòu)(基于四川省安岳縣方林中學(xué)食堂項(xiàng)目的SATWE模型改造而得)進(jìn)行測(cè)試,SATWE模型如圖6所示,原始結(jié)構(gòu)固有阻尼比為5%,X、Y向?qū)娱g位移角分別為1/480、1/444,大于規(guī)范限值1/550。初始,在2-7層X(jué)、Y向各布置一個(gè)金屬阻尼器進(jìn)行試算(共12個(gè)阻尼器),第2步迭代分析完成后,最大層間位移角(第3層Y向)變?yōu)闉?/537(如表2),仍大于規(guī)范限值,則在第3步迭代分析前修改了SATWE模型(通過(guò)PMCAD):在第3層Y向增設(shè)一個(gè)阻尼器(共13個(gè)阻尼器),第3步迭代分析完成后,最大層間位移角(第3層Y向)變?yōu)闉?/551,滿(mǎn)足了規(guī)范要求,并且以后各分析步中層間位移角再無(wú)超限情況。
因?yàn)橄鄬?duì)誤差是基于本分析步與上一個(gè)分析步之間的層位移、層間位移的差別得到的,則第1步迭代分析中最大相對(duì)誤差(0.2627)不具有實(shí)際意義。因?yàn)閷?duì)SATWE模型的阻尼修正及剛度修正具有最小尺度(因?yàn)樽枘岜却嬖谏崛胝`差、PMCAD中等代支撐截面尺寸按毫米取整),當(dāng)修正量小于該尺度時(shí)不再進(jìn)行模型修正,則會(huì)導(dǎo)致前后兩分析模型完全相同,因而計(jì)算結(jié)果也完全相同,致使最大相對(duì)誤差為零(如表2中第7步迭代分析中最大相對(duì)誤差為零)。
5 結(jié)論
本文首先介紹了當(dāng)前我國(guó)金屬阻尼器分析中存在的問(wèn)題,然后詳細(xì)介紹了基于PKPM反應(yīng)譜法的金屬阻尼器分析方法,簡(jiǎn)要介紹了所開(kāi)發(fā)的分析軟件,最后基于實(shí)際工程項(xiàng)目的分析模型,對(duì)所開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行了測(cè)試,基本功能良好。
在以后工作中將選取多個(gè)典型工程,進(jìn)一步測(cè)試和完善本文軟件,以促進(jìn)金屬阻尼器的工程應(yīng)用,為避免或減輕地震災(zāi)害貢獻(xiàn)綿薄之力。
參 考 文 獻(xiàn):
[1] 蔣夢(mèng),阿肯江.托呼提.阻尼器在消能減震結(jié)構(gòu)中應(yīng)用概況評(píng)述[J].低溫建筑技術(shù),2012(1):48-49.
[2] 李世珩,陳彥北,胡宇新,郭紅鋒. E型鋼阻尼器及其在橋梁工程中的應(yīng)用[J]. 鐵道建筑,2012,1(1): 1-4.
[3] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 3―2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.
[4] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011―2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.
本文原刊于《四川建筑科學(xué)研究》
(2016年第五期,總第187期)
作者:侯杰,伍庶,孫山,曹莉,康永君
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文章名稱(chēng):《金屬阻尼器快速計(jì)算問(wèn)題》
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