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抗震减震仿真

中国规范所设计建筑-阻尼器系统易损性评估

【发表时间:2018/7/9】 【阅读次数:270】

曾晨


摘要:高层建筑在强地震下可能发生严重震害,通常可在建筑中设置阻尼器实现消能减震,降低建筑物主体结构地震响应以减轻震致破坏。中国当前现行设计规范已经给出了建筑物中阻尼器的通用设计方法,然而所设计建筑-阻尼器系统在强地震下的实际响应可能有所偏差,并且在同一设防目标下不同类型阻尼器的性能存在差异。基于此,本文首先设计了20层钢框架结构以作为阻尼器性能评估的Benchmark模型,以同一减震目标设计了3类典型阻尼器:摩擦阻尼器、粘滞阻尼器和防屈曲支撑,继而基于所拟合的阻尼器试验曲线,给出了典型阻尼器的数值模型。基于场地类型选取了10条地震动进行增量动力分析,对比评估了几类典型阻尼器对结构抗倒塌性能的控制效果。

1. 基于中国规范的Benchmark模型

为了能够在中国规范下进行建筑中典型阻尼器性能控制的评估分析,需要建立基于中国规范的基准模型。首先采用PKPM软件进行结构的初步设计和布置,如图1所示,再利用OpenSees取框架结构弱轴方向建模,凝练Benchmark模型以进行抗震研究分析。此建筑为一座20层的钢框架结构,其所在地为陕西省宝鸡市,根据《建筑抗震设计规范》,抗震设防烈度为7度,地震分组为第二组,场地类型为二类场地,设计地震基本加速度为0.15g,钢结构房屋的抗震等级为三级。

主体结构为钢框架结构,平面长宽为39.6m×33m,长宽比为1.2,符合长宽比不超过4的建议。底层高度为4.2m,其余各层均为3.3m,总高度为66.9m,最大高宽比为2.07,小于高宽比不超过6.5的限制要求。设计遵循对称的思路,有效地减少扭转和平动相互之间的耦联,使得周期比得到一定的降低。建筑平面纵向共六榀,每一榀采用六跨,横向共七榀,每一榀采用五跨,整体布置符合《建筑抗震设计规范》中规则建筑结构平面的要求。


1  钢框架结构示意图


2. 阻尼器参数设计

本研究中选用了三类阻尼器,分别为防屈曲支撑、摩擦阻尼器粘滞阻尼器根据已设计出的阻尼器原型,确定相应的恢复力滞回曲线的大致形状参数,之后再调整阻尼器的力学参数以满足设计要求,对附加阻尼比作出假设,并进行后续的结构变形计算,但此时计算得到结构的变形并非真实变形,需要再次求出阻尼器的附加阻尼比,将两次的附加阻尼比进行比较,若二者相差很大,进行迭代计算,直到两次的计算结果相近。在这几类典型阻尼器中,除了粘滞阻尼器仅提供结构附加阻尼比之外,其他阻尼器均可以提供附加阻尼比和附加刚度。

  









2  三类阻尼器的典型 滞回曲线


3. IDA分析

IDA分析是将单条或者多条的地震动的强度赋予单调递增的比例系数,得到的不同强度指标度量值IMIntensity Measure),对结构进行动力时程分析,得到的不同强度下结构损伤指标度量值DMDamage Measure),在坐标图中画出并连接这些(DMIM)离散点,从而建立的反应结构响应历程的以IM为纵坐标,DM为横坐标的曲线。在这一过程中,结构历经了线弹性阶段,弹塑性阶段以及破坏阶段的完整响应历程,可以全面地体现地震下结构的动力响应过程。

DM指标度量是结构在地震作用下反映结构动力响应和损伤程度的状态参数。IM指标度量是反映输入地震动本身强度值的参数指标,既可以用地震动运动相关参数表示,也可以用结构的最大反应相关参数表示。由于采用了长周期的20层钢框架结构,所以DM度量指标采用结构的最大层间位移角IM指标选择结构在第一阶自振周期下谱加速度值

对结构进行易损性分析时采用的工程结构需求参数在确定的地震动强度量值IM下,对结构某一性能水准能力L的超越概率函数P所示,并发现了结构需求参数m在该确定的地震动强度值IM下是服从对数正态分布的。

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式中,为标准正态分布的分布函数。

4. 结果分析

对比分析在出现结构损伤时,设置典型阻尼器的结构维持对应的设计性能水准的能力,分别采用累积对数正态概率分布的函数关系对无阻尼器结构以及结构在粘滞阻尼器、摩擦阻尼器和防屈曲阻尼器下的IDA曲线,拟合了出现损伤破坏时性能量化指标下的结构第一周期谱加速度的倒塌易损性的概率曲线,拟合时采用的结构最大层间位移角对应结构的性能指标如表1所示,其中,[ue]指钢框架结构弹性层间位移角限值,[up]指钢框架结构塑性层间位移角限值。根据《建筑抗震设计规范》的规定,多、高层钢结构的弹性层间位移角限值[ue]0.004,塑性层间位移角限值[ue]0.02




3轻微损伤性能的易损性曲线

4中等破坏性能的易损性曲线

5严重破坏性能的易损性曲线


在三个性能指标水准下,粘滞阻尼器的表现最为突出。虽然防屈曲支撑稍比摩擦阻尼器更优,但防屈曲支撑和摩擦阻尼器两者表现的控制结构的性能效果差别不大,但需要注意的是,随着性能水准程度的提升,防屈曲支撑和摩擦阻尼器的控制效果甚至在很高的超越性能概率(中等破坏时为83%,严重破坏时为95%)下会被无阻尼结构超越,这说明在控制结构的中等损伤和严重破坏的结构性能水准的控制范围内,防屈曲支撑和摩擦的控制效果不是很好,但它们在轻微的损伤的结构性能水准下,结构控制性能明显。

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