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粘滞阻尼器在多高层钢筋混凝土框架结构中的减震作用分析毕业论文

 2020-02-17 01:02  

摘 要

近年来,我国地震频繁发生,造成了巨大的人员伤亡和经济损失,其中很大原因是建筑物的破坏和坍塌,因此提高建筑物的抗震性能对于防灾减震十分重要。消能减震技术是通过安装消能装置来耗散地震能量以减轻主体结构的损坏,减震效果显著。消能装置中,粘滞阻尼器由于其消能原理清晰、减震效果显著而被大量应用。

本文根据现有规范、相关研究成果和建筑减震设计优秀案例,总结了国内外粘滞阻尼器的研究与工程应用情况,对结构消能减震原理、粘滞阻尼器的力学原理和分析模型、粘滞阻尼器参数影响、附加给结构的等效阻尼比等进行了归纳和分析;然后运用结构动力学的基本理论知识,借用SAP2000软件建立了设置粘滞阻尼器的多层钢筋混凝土框架结构的计算模型,设计了多种阻尼器布置方案,采用时程分析法分析了粘滞阻尼器对结构的减震作用,并对不同布置方案的减震效果进行了评估;最后根据本文分析成果总结了一套简单易行的粘滞阻尼器加固结构的设计方法,并通过按照该方法对一个高层框架结构进行减震设计,验证了其简单有效、准确度高,能为结构减震设计提供参考。

关键词:粘滞阻尼器;框架结构;消能减震;抗震性能化设计;

Abstract

In recent years, earthquake have occurred frequently in China, causing huge casualties and economic losses. And a large part of its bad effects comes from the destruction and collapse of buildings. Therefore, improving the seismic performance of buildings is an important way to mitigate earthquake disasters. The energy dissipation technology uses the energy dissipating devices to dissipate the seismic energy and reduce the damage of the main structure, and the shock absorption effect is very remarkable. In the energy dissipating device, the viscous damper is widely used due to its clear principle of energy dissipation and significant shock absorption effect.

Based on the existing specifications, relevant research results and excellent design examples of building shock absorption, this paper summarizes the research and engineering application status of viscous dampers at home and abroad. And the principle of energy dissipation and shock absorption of structure, the mechanical principle and analysis model of viscous damper, the influence of viscous damper parameters and the equivalent damping ratio of the attached structure are summarized and analyzed. Then a software named SAP2000 is used to establish the calculation model of multi-storey reinforced concrete frame structure with viscous damper on the basis of the basic theoretical knowledge of structural dynamics. A variety of damper arrangement schemes are analyzed. The damper effect of the viscous damper on the structure is analyzed by using time history method and the effect of different arrangement schemes is evaluated. Finally, a simple and easy design method for viscous damper reinforcement structure is summarized basing on the research results of this paper. Then by using this method to design a high-rise frame structure, it is verified that the method is simple, effective and accurate, and can provide reference for the design of energy dissipation and shock absorption structure.

Key Words: viscous damper; frame structure; energy dissipation; performance-based seismic design;

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 结构消能减震原理 1

1.3 粘滞阻尼器的研究与应用现状 2

1.4 本文的研究意义、思路和内容 3

第2章 粘滞阻尼器消能减震的理论基础 5

2.1 粘滞阻尼器的简介 5

2.2 粘滞阻尼器的力学原理 6

2.3 粘滞阻尼器的分析模型 7

2.4 粘滞阻尼器参数分析 8

2.4.1 速度指数 8

2.4.2 阻尼系数C 9

2.4.3 支撑刚度 10

2.5 粘滞阻尼减震结构的有效阻尼比 11

第3章 粘滞阻尼减震结构的分析与设计方法 13

3.1 减震结构分析方法 13

3.2 抗震性能化设计 14

3.2.1 抗震性能化设计定义 14

3.2.2抗震性能化设计的方法 15

3.2.3 地震水准 15

3.2.4 结构性能水准 15

3.2.5结构性能目标 15

3.3粘滞阻尼器的参数设计及布置方案 17

3.3.1 确定原结构所需附加的阻尼比 17

3.3.2 粘滞阻尼器参数设计 17

3.3.3 粘滞阻尼器布置方案 19

第4章 钢筋混凝土框架结构计算模型及减震方案确定 20

4.1模型概况 20

4.1.1 工程概况 20

4.1.2 性能目标 20

4.2 SAP2000软件介绍 21

4.3 地震波的选取 21

4.4计算模型的建立 23

4.5原结构抗震性能评估 24

4.6附加粘滞阻尼器的设计 24

4.6.1需要附加的阻尼比 24

4.6.2确定粘滞阻尼器的型式、参数和数量 25

4.6.3 确定粘滞阻尼器的布置方案 26

第5章 粘滞阻尼器对结构的减震作用分析及设计方法的优化 28

5.1 方案一减震作用分析 28

5.1.1 结构位移分析 28

5.1.2 结构速度、加速度分析 29

5.1.3 结构基底总剪力分析 30

5.1.4 阻尼器耗能分析 30

5.1.5 验算性能目标 32

5.2 方案一~三减震效果对比分析 33

5.2.1 结构位移对比分析 33

5.2.2 结构速度对比分析 34

5.2.3 结构加速度对比分析 35

5.2.4基底总剪力 36

5.2.5阻尼器耗能情况 36

5.2.6小结 37

5.3 权系数分配方案与均匀分配方案对比 38

5.3.1 计算各楼层的阻尼器数量 38

5.3.2 时程分析结果对比 39

5.4 控制指标的优化 42

5.5 粘滞阻尼器减震设计方法优化及验证 44

5.5.1粘滞阻尼器减震设计方法的优化 44

5.5.2 算例验证 44

第6章 结论与展望 49

6.1 主要结论 49

6.2主要创新点 50

6.3 本文不足及展望 50

参考文献 52

致 谢 55

第1章 绪论

1.1 引言

地震是由地球上板块之间相互挤压、碰撞,造成板块边缘和内部产生错动、破裂而引起的一种破坏力极强的自然灾害。全球的地震主要分布在环太平洋地震带和喜马拉雅—地中海地震带,我国处在这两个最活跃的地震带中间,因而地震频发。自21世纪以来,我国共发生8级以上地震2次,我国大陆地区共发生7级以上地震7次,6级以上地震67次。我国陆地面积约占全球陆地的1/15,但我国陆地发生的地震却占全球的1/3之多!

地震造成了巨大的人员伤亡和经济损失,而且其中很大一部分来源于建筑物的破坏和倒塌,因此提高其抗震性能是防灾减震的重要途径。钢筋混凝土框架结构因其具有传力路径明确、布局灵活、施工便捷、造价合理的优点而被广泛应用,但其承受水平荷载的构件主要为柱,在水平荷载作用下侧向变形较大,在强震作用下易出现局部失效和薄弱层失效,延性和承载力较小,因此提高其抗震性能值得进一步研究。

传统的抗震设计通过提高结构自身的抗震能力来抵御地震作用,主要依靠梁、柱、节点等主要承重构件的塑性变形来耗散地震输入的能量,即结构本身的破坏来实现地震能量的耗散,以满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的设防目标。传统方法以增加刚度为主,即增大构件的截面尺寸或配筋率,增大刚度一方面增加了造价成本,另一方面还可能会增大地震作用,无法确保结构的安全性能。再者,地震中过大的加速度和层间位移会使主体结构构件损伤严重,震后需要维修或重建,修复费用高。

消能减震技术为结构抗震提供了一种新途径,通过安装在建筑物上的消能装置来耗散地震能量,减少主体结构必须承担的能量,以减小主体结构的损坏。同传统抗震结构相比,消能减震结构减震效果更为显著,且在同样条件下使用消能减震技术可大幅度减小截面尺寸和钢筋用量,震后修复的成本也会大大降低,节约结构寿命周期内的造价成本。消能装置主要分为两类——位移相关型和速度相关型,位移相关型主要包括金属阻尼器和摩擦阻尼器,速度相关型包括粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器,其中粘滞阻尼器由于消能原理清晰、减震效果显著而被大量应用。

本文拟在了解粘滞阻尼器特点的基础上,运用结构动力学的基本理论知识,建立设置粘滞阻尼器的多高层钢筋混凝土框架结构的计算模型,分析粘滞阻尼器的参数及安装位置对结构响应的影响,并期望能找出一套简单易行的在结构中设置粘滞阻尼器的设计方法,为结构减震设计提供参考。

1.2 结构消能减震原理

结构消能减震是在现有结构某些部位(如节点、支撑、连接件、剪力墙、楼层空间、主附结构间等)设置消能装置,通过消能装置产生摩擦、弯曲(或剪切、扭转)、弹塑(或粘弹)性滞回变形来耗散或吸收地震输入到结构中的能量,以减小主体结构的地震响应。

结构消能减震的原理可由如下表达式从能量的角度来解释:

(1.1)

其中为地震输入能量;为结构体系的动能;为结构自身阻尼耗能;为变形能,变形能可分为弹性变形能和非弹性变形滞回耗能两部分,即为消能装置耗能。于是该式又可写成:

(1.2)

占消耗总能量的比例很小(混凝土结构约5%,钢结构约 2%~4%),而在地震中仅转换能量而不消耗能量,因此使用传统的抗震加固方法,无部分,主要依靠结构的非弹性变形来耗散地震输入能量,即占比很大,结构损伤严重。消能减震体系在小震和风荷载作用下,消能装置保持弹性状态,结构体系具有足够的抗侧刚度,满足正常使用要求;在中震和大震作用下,结构产生较大反应,消能装置率先工作,能量主要通过阻尼器消耗,即占大部分,并使结构的地震响应迅速衰减,避免主体结构出现明显的弹塑性变形,确保其安全性。

1.3 粘滞阻尼器的研究与应用现状

结构振动控制技术可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制,其中被动控制根据减震原理的不同又可分为包括隔震和消能减震。消能减震的概念自1970年代被提出以来,结构抗震在设计方法和工程应用方面都产生了重大变革,近年很多强震得到记录也推动着结构非线性动力分析方法的发展,使得消能减震技术的研究和消能装置的制造都得到重大进展。粘滞阻尼器在航天、机械、军工业已成功应用多年,上世纪九十年代初才将其用以结构工程的振动控制。

在科学研究方面,杆式粘滞阻尼器由美国Taylor公司于1970年研制成功,现法国、日本和我国亦能生产类似产品。日本学者Miyazaki在1986年提出粘滞阻尼墙,1988年日本Sumitomo公司研制成功。我国土木工程领域对粘滞阻尼器的研究始于1990年代初,研究成果显著。1998年东南大学李爱群教授等开始了粘滞阻尼器的研究,并在1999年完成了单出杆和双出杆粘滞阻尼器的设计,获得国家专利;1999年油缸间隙式粘滞阻尼器由哈尔滨工业大学的欧进萍教授等人研制成功;2000年上海材料研究所结合实际工程情况,研制出了可用于实际工程中的粘滞阻尼器产品。

在工程应用方面,我国已经有很多工程使用了粘滞阻尼器,很多安装了粘滞阻尼器的建筑都经受住了强风和强震的考验。北京展览馆于1953年建成,当时未设计抗震设防,不满足北京的抗震设防要求,使用粘滞阻尼器对其进行加固后,在8度中震作用下其层间位移角控制在了1/350以内,满足要求。南京奥体科技中心观光塔中安装了粘滞阻尼器后,在2005年8月的强台风“麦莎”中满足人体舒适度要求。近年来,粘滞阻尼器还应用在了办公楼、酒店、体育中心和桥梁等新建工程和抗震加固中,如苏通大桥、北京银泰中心主塔楼和北京饭店等工程,并起到了很好的减震效果。

1.4 本文的研究意义、思路和内容

随着人口增长和城镇化的推进,为了在更小的场地内建造出更多的建筑面积,多高层建筑越来越普遍。在多高层建筑结构中,钢筋混凝土框架结构一种是较为普遍的结构形式,因此研究如何提高其抗震性能非常必要。

在进行粘滞阻尼减震结构设计时,需要了解阻尼器参数和安装位置对于减震效果的影响,本文的研究主要通过对装设粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架结构和原结构进行地震反应分析、对比,以达到以下目的:分析总结粘滞阻尼器参数及安装位置对结构响应的影响;期望能找出一套简单易行的结构设置粘滞阻尼的设计方法。从而为设计人员进行结构减震设计提供理论支持,促进消能减震技术的完善和推广。本文主要的研究内容如下:

(1)收集消能减震技术和粘滞阻尼器的资料。

根据现有规范、相关的研究成果和建筑减震优秀设计案例,了解粘滞阻尼器的类型以及构造情况,对结构消能减震原理、粘滞阻尼器的力学原理、分析模型及相关参数进行分析总结。

(2)确定框架结构模型。

利用SAP2000软件首先建立未设置粘滞阻尼器的钢筋混凝土6层框架结构模型;然后对该结构进行时程分析,从而得到模型的速度、加速度、层位移、层间位移及层间位移角等结构响应;最后对数据进行整理,分析该结构的受力变形特点及薄弱部位。

(3)减震方案确定及减震分析。

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