黏滞阻尼器应用于掉层框架结构的抗震设计方法研究

发布时间：2016-07-11 08:48

1 绪   论  

1.1  研究目的和意义
我国总的陆地面积达到了 960 万平方公里，排在世界第三位，地形多种多样。地质条件复杂，在漫长的地质历史演化过程中，内外动力相互作用下塑造成多种多样的地貌类型，既有纵横交错的山脉，也有面积辽阔的高原，，有巨大的盆地，也有一望无际的平原，还有坡度和缓的丘陵。其中，山地约占全国土地面积的 33％，高原约占 26％，盆地约占 19％，平原约占 12％，丘陵约占 10％。另外我国人口在第六次全国人口普查显示已经达到了 13.4 亿，是一个人口众多的国家。根据党的十六大报告指引的方向，《2001-2002 中国城市发展报告》勾画了我国城市化蓝图，提出了 50 年的战略目标。主要内容是用 50 年左右的时间，全面超出世界中等发达国家的城市化水平，城市化率提高到 75%以上；建成具有容纳 11 亿到 12亿的城市容量，形成结构合理、功能互补、整体效益最优化的大中小城市体系。在这样的时代背景下，我们也应该注意到我国的基本国情，那就是在我国山地和丘陵地区占到了国土面积的 2/3 以上，要达到上述的城市化目标，向山地扩张成为未来发展的必然趋势。 地震是人类所面临的最严重的自然灾害之一，具有突发性和极强破坏性的特点。一次突发性的地震瞬间就会给地面上的建筑物带来巨大的破坏，并可能引起水灾、火灾等次生灾害，从而导致严重的人员和财产损失。地震灾害与其它自然灾害的显著区别在于，几乎所有的人员伤亡和经济损失都与工程结构及构筑物的破坏密切相关[1]。中国处在环太平洋地震带和喜马拉雅-地中海地震带之间，是世界上地震灾害最严重的国家之一。仅新中国成立以来，在中国大陆就先后发生 2次震级大于 7.8 级的地震，均具有强度大、频度高、震源浅的特点，给国家和人民的生命财产造成了巨大的损失。1976 年河北唐山地震，震级 7.8 级，死亡 24.5 万人；2008 年四川汶川地震，震级 8.0 级，造成巨大的人员伤亡和财产损失，成为建国以来破坏性最大、波及范围最广的一次地震。由于地震动具有很大的随机性，并且对人类社会构成很大的威胁，因此对地震的预防也成为防灾减灾最重要的课题之一[2]。 
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1.2  研究现状
山地建筑极大地拓展了人类的生存空间，满足了人们对与自然环境相适应的人居环境要求的提高。图 1.1~1.4 所示为国内外典型的山地建筑，可以看出山地建筑的最大特色是保留了原有地形地貌和自然风光，做到与自然环境相融为一体。但是从结构的角度看，结构工程师往往是只在满足建筑要求的基础上利用现行规范进行山地建筑的结构设计，基于以往的研究，现行规范的竖向层刚度比、层间受剪承载力之比等控制指标已经不再适用于山地结构，如果盲目使用，势必会给山地结构埋下安全隐患[3]。为此，李英民、王丽萍[4]等提出山地建筑结构的概念，指出应该针对山地结构抗震设计的特殊问题进行专门的研究。   王丽萍[4]根据山地建筑形式总结出 5 种基本的山地建筑结构形式：掉层、吊脚、附崖、错层、台层。实际中最常见的还是掉层结构和吊脚结构，鉴于吊脚结构从竖向不规则角度来看属于掉层结构的特殊形式，故掉层结构是山地建筑结构中最具代表性的结构形式。掉层结构是指在同一单元内存在两个不在同一水平面的嵌固端，从最高接地点以下按层高设置楼面，并利用坡地高差处空间的结构体系，如图 1.5 所示。掉层结构的形成原因：一方面是为达到期望的建筑效果依地而建；另一方面如图 1.6 所示，在山区建造常规建筑，则带来的平整场地挖方量成倍增加，提高了工程造价，同时山体由于开挖的不利影响容易产生滑坡。 
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2 黏滞流体阻尼器的力学性能  

2.1  引言   
黏滞阻尼减震结构作为一种有控组合结构体系，由主体结构和附加消能减震部件组成，与普通结构的设计唯一的区别是要考虑附加消能部件对主体结构的影响。实际操作中考虑到消能部件相对于主体结构而言属于结构辅助体系，因此可以使主体结构在合理的设计范围内，采用附加阻尼器作为补充结构强度的思路来进行设计。消能减震结构体系的设计需要考虑如下问题：确定减震结构的抗震设防目标，阻尼器类型的选择、阻尼器相关参数的选择、阻尼器在结构中的布置数量和布置方式、估算需要的附加阻尼比等。为了满足被动减震结构的设防目标，设计人员需要在充分了解消能部件的性能基础上开展减震结构的设计和规划，并对减震结构的性能进行评估。
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2.2  减震结构的抗震设防目标 
确定消能减震建筑的抗震设防目标是进行消能减震设计的基础和前提。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)总则 1.0.1 条对普通建筑结构的抗震设防目标为三级设防目标即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。而对于减震结构，规范在第 3.8.2条做出原则性的规定：“采用隔震或消能减震设计的建筑，当遭遇到本地区的多遇地震影响、设防地震影响和罕遇地震影响时、可按高于本规范 1.0.1 条的基本设防目标进行设计。”这里明确了消能减震建筑的抗震设防目标应高于依靠结构自身强度和变形来抵御地震的传统建筑的抗震设防目标，但未具体明确不同情况下的消能减震结构的抗震设防目标，因此依据规范这一规定来进行消能减震设计尚有困难。 确定消能减震结构设防目标应考虑结构的重要性和功能性、社会和业主的要求、项目的投资成本和收益等因素，并将这些因素量化为工程设计中可以具体使用的设计参数。参考文献[32]、[44]，表 2.1 给出减震结构的性能水准量化指标。A 目标与现行建筑抗震设计规范对传统结构抗震设计抗震设防目标相同。遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能损坏，但经一般性修理可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。由于不同原因导致结构在多遇地震下尚不能满足规范要求，或需采取明显不合理的过分加强措施才能满足规范要求，以及既有建筑抗震加固要求设防目标与传统结构抗震设防目标一致时，结构可设计成这类设防目标的减震结构。 
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3 掉层结构消能减震设计中等代模型的确定 ........ 19
3.1  引言 ......... 19 
3.2  结构分析程序及计算方法 ..... 19 
3.2.1 分析程序简介 ... 19 
3.2.2 弹塑性状态减震结构分析方法 ....... 20 
3.3  算例设计 ......... 23 
3.3.1 掉层结构相关部位说明 ... 23 
3.3.2 分析模型及相关参数 ....... 24 
3.4  掉层框架等效普通等高框架思路 ......... 25 
3.5  本章小结 ......... 32 
4 附加黏滞阻尼器对掉层结构弹塑性抗震性能影响分析 ..... 33
4.1  引言 ......... 33 
4.2  结构算例重要参数取值 ......... 33
4.3  设防地震烈度作用下结构地震响应分析 ..... 36
4.4  罕遇地震烈度作用下结构地震响应分析 ..... 51
4.5  本章小结 ......... 66 
5 结论与展望 ..... 67
5.1  主要工作与结论 ..... 67 
5.2  存在问题与后续工作 ..... 68 

4 附加黏滞阻尼器对掉层结构弹塑性抗震性能影响分析

4.1  引言

本章利用第三章建立的附加黏滞阻尼器的掉层结构计算模型，分别进行设防地震和罕遇地震作用下的结构弹塑性时程分析。确定采用等代模型设计阻尼器参数应用在掉层结构的适用范围，研究结构所掉层数以及跨数对该等代设计思路适用性的影响，同时考察掉层部位设置黏滞阻尼器的必要性，最后对附加非线性黏滞阻尼器的减震掉层结构的抗震性能进行评价。根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第 5.1.1 条规定：“进行结构的弹塑性分析，材料的性能指标宜取平均值，并宜通过试验分析确定，也可按规范规定确定”。本章在进行减震结构的弹塑性时程分析，钢筋和混凝土的材料强度取材料平均值计算。 本文对所有的计算模型计算模型是根据“中震不坏，大震可修”的性能目标设计阻尼器，因此需要进行减震结构在设防地震作用下的承载力和弹性变形验算及罕遇地震下的弹塑性变形验算。采用框架单元来模拟梁、柱构件。梁、柱构件屈服和屈服后的性能用离散的塑性铰来模拟。SAP2000 中有三种类型的铰属性：默认的铰属性；用户指定的铰属性；生成的铰属性。其中只有默认的铰属性和用户指定的铰属性可被指定给框架单元。本章采用基于 FEMA356 的默认铰属性，指定塑性铰的长度为 0.05 倍单元长度，塑性铰的位置在框架单元的两端，对梁定义主方向的弯矩铰(M3 铰)，对柱定义 P-M2-M3 相关铰。定义的这些塑性铰会根据构件的材料和配筋信息得到构件的力-位移（弯矩-转角）曲线。曲线通过有五个控制点 A-B-C-D-E 的曲线来实现，如图 4-1 所示。B 点为截面屈服点，从点 A到点 B 铰内没有发生变形，铰达到点 C 时，截面开始失去承载力。点 IO、LS、CP 代表铰的能力水平，分别对应于直接使用、生命安全和防止倒塌状态。 

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结论

本文在总结以往山地掉层结构的研究成果基础上，探讨了山地掉层框架结构的消能减震设计方法，针对山地陡坎地基为基岩情况，通过将底部不等高约束框架等代为普通等高约束框架模型，利用该等代模型采用两种阻尼常数分配方法进行阻尼器的参数设计，然后将所设计的阻尼器附加给原结构，对结构进行了不同水准地震作用下的动力时程分析，对结构减震前后的抗震性能进行了对比研究，得到了不同掉层跨数和层数的掉层结构减震前后的抗震性能规律。 本文得出的主要结论如下：
①  利用等代模型进行阻尼器的参数设计，再附加到原结构的减震设计思路，其有效性受山地掉层结构所掉层数和跨数的影响。就本文的算例结果而言，对于掉 1 层结构，由于掉层层数少，该方法不受结构所掉跨数的影响，所有结构都能完全满足预先设定的减震性能目标。对于掉 3 层结构，当结构所掉跨数为 3 跨及以上时，减震后不能满足设定的减震性能目标；对于掉 5 层结构，当结构所掉跨数为 2 跨及以上时，减震后不能满足设定的减震性能目标。 
②  由平均分配阻尼常数方法计算得到的减震结构的上部楼层地震反应相对更小，而与层剪力成正比分配方法却能够更好的减小结构坎上 1、2 层层间位移角和层间剪力。与层剪力成正比分配方法计算得到的总阻尼常数更小，经济性更好，该方法能够合理的考虑不同楼层对阻尼器性能需求的差异性，不同楼层的阻尼器出力差别较大，设计更加合理，因此本文建议优先采用与层剪力成正比分配方法。 
③  掉层结构的竖向不等高约束特性导致其掉层部位楼层的地震反应一般较上部楼层更小。对于掉层层数为 5 层以内的结构，由于掉层部位的层间位移角远小于性能目标限值，实际工程中出于经济性考虑，可以不考虑在该部位设置阻尼器。 
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参考文献(略)

本文编号：68788