法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2013-12-25
授权
授权
2012-09-19
实质审查的生效 IPC(主分类):E04B1/98 申请日:20120217
实质审查的生效
2012-07-18
公开
公开
技术领域
本发明属于建筑结构所使用的阻尼器设计方法。
背景技术
现代城市中人口密集而土地有限,导致相邻建筑结构之间的间距 可能过小。因建筑造型、使用功能等方面的需要,许多高层建筑物都 设计成由多个子结构组成的主-从结构。因此在很多情况下,两相邻 建筑结构之间的间距十分有限,当强震发生时,彼此发生碰撞的可能 性很大。如在1985年墨西哥城大地震中,在被调查的330栋严重损 伤或倒塌的建筑中,超过40%发生了碰撞,总数的15%发生了倒塌。 在1977年的Romania地震、1994年Northridge地震、1999年Turkey 地震和2008年汶川地震中,均曾观测到相邻结构之间的碰撞。因此, 有效地防止间隔很近的相邻建筑物在强震作用下发生碰撞,对于保证 这些建筑物的抗震安全性具有重要意义。
粘滞流体阻尼器可以减小地震或风作用下建筑结构的振动,在实 际工程中得到了广泛的应用。采用粘滞流体阻尼器来连接相邻建筑结 构组成振动控制体系,利用相邻建筑结构间的相互作用耗能,不仅能 吸收一部分地震能量,又可以避免建筑结构之间的碰撞。振动控制体 系中最重要的部分是粘滞流体阻尼器的设计。粘滞流体阻尼器采用 Maxwell模型来模拟,有两个重要的参数,即粘滞流体阻尼器的零频 率阻尼系数和松弛时间。因此,粘滞流体阻尼器的设计中确定合适的 零频率阻尼系数和松弛时间又是非常重要的一个环节。如果选取恰 当,就能够起到较好的耗能减震效果;如果选取不当,则会改变原结 构的动力特性,带来一定的负面影响,导致地震波输入能量加大以及 结构的破坏。当粘滞流体阻尼器的零频率阻尼系数和松弛时间确定好 以后,就可以根据这两个参数制作出符合要求的阻尼器了。现有的相 邻结构振动控制体系的阻尼器的零频率阻尼系数和松弛时间都是通 过繁琐的参数化研究得到的,需要对采取不同阻尼器参数的相邻结构 体系样本进行动力分析,提取控制性能指标和结构的响应指标,然后 进行比较分析得到阻尼器的优化参数值,但是这种参数化研究过程不 具有通用性。
因此,需要通用的解析表达式来帮助工程师们选择粘滞流体阻尼 器的优化参数,这对于相邻结构振动控制体系的应用推广非常必要。
发明内容
本发明提供一种用于相邻建筑结构的粘滞流体阻尼器设计方法, 解决现有粘滞流体阻尼器设计方法繁琐、不具有通用性的问题,使得 粘滞流体阻尼器的设计方便快捷。
下文中,粘滞流体阻尼器水平安装,粘滞流体阻尼器两端分别连 接一座建筑结构楼板处,因此两座相邻建筑结构需要具有对应楼层相 同标高的楼板。
本发明的一种用于相邻建筑结构的粘滞流体阻尼器设计方法,包 括下述步骤:
(1)确定控制目标步骤:
对于两座相邻建筑结构,在对应楼层相同标高楼板处水平设置粘 滞流体阻尼器,连接相邻建筑结构,确定两座建筑结构的第一阶自振 频率ωj和总质量Mj,j=1、2;第一控制目标是使其中一座建筑结构 的平均相对振动能量最小,则将作为控制目标的一座建筑结构作为第 一座建筑结构,转步骤(2);第二控制目标是使两座建筑结构总的 平均相对振动能量最小,则将其中自振频率较大的结构作为第一座建 筑结构,转步骤(3);
(2)第一控制目标优化参数计算步骤,包括下述过程:
(2.1)计算第二座建筑结构与第一座建筑结构的第一阶自振频 率比β=ω2/ω1,第一座建筑结构与第二座建筑结构的总质量比 μ=M1/M2;其中,ω1、ω2分别为第一座建筑结构和第二座建筑结构 的第一阶自振频率,M1、M2分别为第一座建筑结构和第二座建筑结 构的总质量;
(2.2)判断是否β≤1,是则进行过程(2.3),否则进行过程(2.4);
(2.3)阻尼参数ξopt和松弛时间参数χopt为:
转步骤(4);
(2.4)阻尼参数ξopt和松弛时间参数χopt为:
转步骤(4);
(3)第二控制目标优化参数计算步骤,包括下述过程:
(3.1)计算第二座建筑结构与第一座建筑结构的第一阶自振频 率比β=ω2/ω1,第一座建筑结构与第二座建筑结构的总质量比 μ=M1/M2;
(3.2)判断是否μ≥1,是则进行过程(3.3),否则进行过程(3.4);
(3.3)阻尼参数ξopt和松弛时间参数χopt为:
转步骤(4);
(3.4)判断是否β2<μ(2μ-1)/(2-μ),是则进行过程(3.5),否则 进行过程(3.6);
(3.5)阻尼参数ξopt和松弛时间参数χopt为:
转步骤(4);
(3.6)阻尼参数ξopt和松弛时间参数χopt为:
转步骤(4);
(4)零频率阻尼系数和松弛时间计算步骤:
粘滞流体阻尼器的零频率阻尼系数c0与松弛时间λ分别为:
c0=2ξoptm1ω1,λ=χopt/ω1;
所述零频率阻尼系数c0与松弛时间λ是指所有连接相邻建筑结构 的所有粘滞流体阻尼器的系数和,则每一层粘滞流体阻尼器的零频率 阻尼系数为c0/N,松弛时间为λ/N,其中N为安装阻尼器的总楼层 数。
所述的用于相邻建筑结构振动控制的粘滞流体阻尼器设计方法, 其特征在于:所述确定控制目标步骤中,建筑结构的总质量Mj和建 筑结构的第一阶自振频率ωj依据下述过程求得:
(1)计算建筑结构的总质量:
Mj=m1+m2+…+mn,
(2)计算质量矩阵M和刚度矩阵K:
其中,mi为建筑结构第i层的质量,ki为建筑结构第i层的层间刚 度,i=1、2、...、n,n为建筑结构的层数;
(3)计算自振频率
根据n阶矩阵方程|K-ω2M|=0,解出n个自振频率,其中最小 的自振频率为第一阶自振频率ωj。
本发明方便快捷,仅利用两座相邻建筑结构的第一阶自振频率和 总质量,便可采用给出的通用解析表达式来确定相邻建筑结构振动控 制体系中粘滞流体阻尼器最优的零频率阻尼系数和松弛时间,解决了 现有阻尼器设计方法繁琐、不具有通用性的问题,能够很方便的帮助 工程师们选择粘滞流体阻尼器的参数值,从而再根据此参数值来制作 符合要求的阻尼器,对于相邻结构振动控制体系的应用推广具有重要 的意义。
附图说明
图1为采用粘滞流体阻尼器连接的相邻建筑结构示意图;
图中标记:A建筑结构、B建筑结构、粘滞流体阻尼器C、地 震波D。
具体实施方式
两相邻A建筑结构、B建筑结构,分别为25层和15层,层高均 为3.3m,各楼层集中质量为1.29×106kg,剪切刚度为4.0×109N/m。 采用瑞利阻尼模型,两结构的第一、二阶阻尼比均为0.02,粘滞流体 阻尼器沿15层均匀布置。
实施例1:
(1)确定控制目标步骤:使其中A建筑结构的平均相对振动能 量最小;
对于A建筑结构、B建筑结构,在相同标高楼板处设置粘滞流体 阻尼器C,水平连接相邻建筑结构,确定A、B建筑结构的第一阶自 振频率分别为ω1=3.43rad/s和ω2=5.64rad/s、总质量M1=3.23×107kg和 M2=1.94×107kg;将A建筑结构作为第一座建筑结构,将B建筑结构 作为第二座建筑结构;
(2)第一控制目标优化参数计算步骤,包括下述过程:
(2.1)计算第二座建筑结构与第一座建筑结构的第一阶自振频 率比β=ω2/ω1=1.64,第一座建筑结构与第二座建筑结构的总质量比 μ=M1/M2=1.66;
(2.2)判断是否β≤1,因为β=1.64,进行过程(2.4);
(2.4)阻尼参数ξopt和松弛时间参数χopt为:
(3)零频率阻尼系数和松弛时间计算步骤:
粘滞流体阻尼器的零频率阻尼系数c0与松弛时间λ为:
c0=2ξoptm1ω1=4.35×107N.s/m,λ=χopt/ω1=0;
所述优化零频率阻尼系数和松弛时间是指所有连接相邻建筑结 构的所有粘滞流体阻尼器的系数和,则每一层粘滞流体阻尼器的零频 率阻尼系数为c0/15,松弛时间为λ/15,其中安装粘滞流体阻尼器的 总楼层数为15层。
实施例2:
(1)确定控制目标步骤:使所述相邻两座建筑结构总的平均相 对振动能量最小;
对于A建筑结构、B建筑结构,在相同标高楼板处设置粘滞流体 阻尼器C,水平连接相邻建筑结构,确定A、B建筑结构的第一阶自 振频率分别为3.43rad/s和5.64rad/s、总质量分别为3.23×107kg和 1.94×107kg;将其中自振频率较大的B建筑结构作为第一座建筑结构, 将A建筑结构作为第二座建筑结构;
(2)第二控制目标优化参数计算步骤,包括下述过程:
(2.1)计算第二座建筑结构与第一座建筑结构的第一阶自振频 率比β=ω2/ω1=0.608,第一座建筑结构与第二座建筑结构的总质量 比μ=M1/M2=0.6;
(2.2)判断是否μ≥1,因为μ=0.6,进行过程(2.4);
(2.4)判断是否β2<μ(2μ-1)/(2-μ),因为 β2=0.37>μ(2μ-1)/(2-μ)=0.168,进行过程(2.6);
(2.6)阻尼参数ξopt和松弛时间参数χopt为:
(3)零频率阻尼系数和松弛时间计算步骤:
粘滞流体阻尼器的零频率阻尼系数c0与松弛时间λ为:
c0=2ξoptm1ω1=4.04×107N.s/m,λ=χopt/ω1=0;
所述优化零频率阻尼系数和松弛时间是指所有连接相邻建筑结 构的所有粘滞流体阻尼器的系数和,则每一层粘滞流体阻尼器的零频 率阻尼系数为c0/15,松弛时间为λ/15,其中安装粘滞流体阻尼器的 总楼层数为15层。
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