黏滞阻尼器的优化布置及其在高层钢结构加固中的应用

阻尼器优化布置是结构减震设计过程中的重要环节,通常需要通过多次动力响应计算来完成。为此,提出了一种通过结构静力分析确定阻尼器合理布置位置的方法,并能够快速计算出优化方案的附加阻尼比。将该方法应用于一栋位于日本东京都新宿区29层钢结构建筑的减震加固设计中,分析了该建筑的强震观测系统在日本“311地震”中采集到的部分楼层加速度时程数据,并基于分析结果验证了所建立的非线性数值分析模型的可靠性。采用所提方法对结构进行减震加固,得到双向共64个阻尼器的优化布置方案及其附加阻尼比,并通过动力方法对结果进行了验证。同时针对长周期及长持时特性的地震波,对减震结构进行动力弹塑性时程分析,评估其抗震性能。分析结果表明：减震优化方案的减震效果明显,结构整体地震反应和构件损伤较非减震方案都大大减小;减震优化方案有效改善了高层钢结构楼层变形不均匀的情况,层间位移角均满足小于1/100的性能要求;通过减震优化后大部分钢支撑和钢梁的塑性率都降低至小于1。     

粘滞流体阻尼器用于建筑结构的减震设计原理与方法

研究了粘滞流体阻尼器用于建筑结构消能减震设计的原理、分析方法。包括阻尼器的设置、消能支撑的型式、支撑钢杆的设计、抗震设防目标、消能减震建筑结构的特点。给出了消能减震结构的附加水平控制力、附加有效阻尼比、地震影响系数、阻尼矩阵的计算方法;介绍了振型分解反应谱法和直接动力时程分析法的设计计算要点。最后给出了采用粘滞流体阻尼器进行消能减震设计的实用设计步骤。     

粘滞流体阻尼墙在高层结构减震中的研究与应用

在对粘滞流体阻尼墙力学特性及计算模型分析的基础上,研究其在高层建筑减震设计中的一些关键问题。以高烈度区江苏省宿迁市的一栋94.95m高的双塔建筑为工程背景,提出了阻尼墙减震体系的设防目标,并给出了减震分析的详细流程及阻尼墙的基本布置原则。通过对减震体系的非线性地震响应分析,优化了阻尼墙的初始布置方案,并在优化方案的基础上详细分析了减震体系的地震作用剪力、位移、能量耗散、加速度响应、附加阻尼比及构件进入塑性的先后顺序等问题,最后对减震体系的经济性进行了对比分析。分析表明：阻尼墙对高层建筑的抗震性能有很大的改善,相同数量阻尼墙的情况下,合理的配置方案能够提供更多的附加阻尼。研究为阻尼墙在高层建筑的减震设计中的应用提供了成功的工程案例,其设计思路可以为高层结构的减震提供有益的借鉴和参考。     

金属阻尼器消能减震体系的等阻尼比设计方法

为合理有效地简化金属阻尼器消能减震结构体系的设计,提出了“等阻尼比”的设计原则,在设计性能水准的地震作用下使所有阻尼器自身的等效阻尼比相等,该原则在实际参数设计时可等价于更便于应用的“等延性系数”原则。该原则是一种概念优化设计原则,目的是使所有阻尼器都能充分发挥其阻尼耗能作用,从而以较小的代价来实现预定的减震控制效果。应用该原则可简化等效附加阻尼比的估算,并将金属阻尼器减震体系的刚度参数与阻尼参数进行解耦,使参数的确定过程更简便。基于“等阻尼比”原则,提出了金属阻尼器消能减震体系的实用设计方法,该方法采用以金属阻尼器延性系数和体系刚度特征参数为设计控制参数,以地震作用下层间位移角的性能需求为设计目标,以等效单自由度体系计算位移响应的求解模型。建立了体系等效阻尼比和等效周期的快速估算式,进而给出了两个控制参数的确定方法及阻尼器布置建议。通过对一个钢筋混凝土框架减震结构的设计和性能验算证实了所提方法的可行性与可靠性。     

液体黏滞阻尼器在盘古大观高层建筑上的抗震应用

盘古大观钢结构写字楼是毗邻2008奥运会主场馆的45层、高191m的超高层建筑,通过与美国John Martin公司配合,进行结构抗震、抗风分析。结合是否需要和怎样安置作为结构保护系统的黏滞阻尼器,进行设计和验算的反复迭代、全面计算和优化。按我国规范和超高限审查要求的大、中、小,水平和竖向地震作用下结构的全面地震反应进行研究,对越来越引起人们注意的结构附属结构的地震反应进行初步探讨。本工程使用了带刚度的黏滞阻尼器,采用穿越式安装支撑的方法。结果表明,液体黏滞阻尼器对该超高层建筑抗震具有系统、全面的改进作用。     

消能摇摆钢框架结构抗震性能的影响因素与设计方法

消能摇摆钢框架结构包含主体钢框架结构、摇摆结构和耗能阻尼器三部分。刚度较大的摇摆结构可以使主体钢框架在地震作用下发生均匀的层间变形,抑制薄弱层产生。布设于摇摆结构底部的阻尼器,能够耗散地震动能量,减小整体结构的地震反应,提高结构的抗震性能。文中对消能摇摆钢框架结构抗震性能的影响因素进行参数分析,并基于我国建筑抗震设计规范的原则提出了抗震设计方法。根据消能摇摆钢框架结构的受力机理,提出简化分析模型,通过弹塑性地震反应分析,验证简化模型的有效性。基于简化分析模型对无量纲参数进行参数分析,根据各参数的影响规律得到无量纲参数的建议范围。结合我国“三阶段”抗震设防要求,提出消能摇摆钢框架结构的设计方法,并结合算例进行验证。研究表明,消能摇摆钢框架结构抗震性能良好,设计合理的摇摆结构与阻尼器能够抑制钢框架的薄弱层、减小结构的地震反应。     

框-剪结构黏滞阻尼减震设计

在介绍黏滞阻尼器减震框-剪结构抗震设计方法的基础上,提出按阻尼力与楼层剪力呈正比的方式分配阻尼系数的方法,并采用渐进法的思想实现对结构所需附加阻尼比更为精确的计算。结合工程实例,对已装及未装黏滞阻尼器的框架-剪力墙模型进行建模分析,就结构相关性和经济性进行对比,进一步考察黏滞阻尼器的减震效果,为工程设计提供参考。     

被动耗能减震结构基于能力谱法的抗震设计方法研究

结合我国抗震设计规范,提出被动耗能减震结构基于能力谱法的抗震设计方法。在该方法中,结构的性能水平用层间位移角限值予以量化,以简化方法计算速度相关型阻尼器的等效阻尼比。该法首先对经过初步设计的建筑结构进行推覆分析以评估其抗震性能,然后依据性能目标要求选择阻尼器的参数和数量,并对设置阻尼器的结构再次进行推覆分析以检验层间位移角是否满足性能目标要求。通过算例,介绍用该方法对钢筋混凝土规则框架进行消能减震设计的设计过程。实例分析表明,提出的被动耗能减震结构基于能力谱法的抗震设计方法是可行的,并且与非线性动力分析得出的平均结果吻合较好。     

某工业建筑采用黏弹性消能支撑的减震设计研究

介绍了8度区某工业建筑采用黏弹性消能支撑的减震设计方案,阐述了黏弹性阻尼器及消能支撑的减震设计步骤,给出了地震反应计算方法和主要计算结果。计算表明,结构安装黏弹性消能支撑后,可按7度抗震设防要求设计,结构阻尼比增加10%左右,层间位移和加速度较原结构减小明显,在多遇、罕遇水平地震作用下,能分别满足承载力和变形的要求。     

设置钢阻尼器钢结构的有限元分析

借助ABAQUS有限元软件,对设置钢阻尼器的钢结构进行了地震动荷载作用下的有限元分析,得出钢阻尼器能为结构提供附加抗侧刚度和附加阻尼,耗散输入的地震能量,保护主体结构,减震效果显著的结论。     

安置抗震黏滞阻尼器的某超高层建筑经济性能分析

盘古大观钢结构写字楼是毗邻2008奥运会主场馆的超高层建筑.在对结构进行抗震性能分析的过程中,为了使结构满足抗震规范罕遇烈度下的相关要求,并使结构的抗震能力进一步提高,选取加强传统结构抗侧体系、增加结构支撑能力和采用抗震阻尼器耗能减振等不同的抗震方案,并对其具体内容、减震效果和经济性进行综合对比.最终结果表明,对比前两...     

设置混合调谐质量阻尼器的高层建筑风振控制实用设计方法

结合GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》中的等效静风荷载计算方法,研究设置主被动可切换的混合调谐质量阻尼器(TMD/ATMD)的规则高层建筑结构的风振分析与实用设计方法。将控制系统的风振控制效果按照风振响应方差相等的原则归结为对受控结构的附加等效阻尼比,推导了控制系统最优参数和附加等效阻尼比的计算公式,给出了惯性质量平均最大行程比、主动控制力和额定功率的简化计算方法;并讨论了主动/被动控制模式的切换准则。最后给出以风振控制Benchmark结构模型为对象的受控结构及混合调谐质量阻尼系统的设计算例。算例分析表明：建议的设计方法可以方便地进行受控结构响应分析和控制系统参数设计;混合调谐质量阻尼器可以有效减小设计等效静风荷载和结构的动力响应。     

基于全时程迭代的金属阻尼器减震结构地震响应分析方法研究

准确地估算等效阻尼系数和等效附加刚度对于附加金属阻尼器的减震结构的设计具有实用意义。首先基于等效线性化基本理论推导出等效阻尼系数和等效附加刚度计算公式,并引入全时程迭代的思想,形成一种附加金属阻尼器减震结构的地震响应分析方法。继而通过对3层剪切型结构的地震响应分析,探讨了该计算方法迭代过程的收敛性。最后,通过对3层剪切型结构和8层平面框架结构的地震响应分析,考察了该计算方法的计算精度和可靠性。与现有方法相比,提出的等效阻尼系数和等效附加刚度计算公式物理意义明确,同时考虑了金属阻尼器自身参数和结构动力响应对等效线性化参数的影响,采用的全时程迭代方法具有收敛速度快、计算精度高等优点。     

连梁内设置竖向变形阻尼器的耗能剪力墙体系减震分析与设计

将钢筋混凝土联肢剪力墙在连梁跨中开缝,在缝中设置沿竖向变形的钢阻尼器,从而形成耗能联肢剪力墙体系。在强震作用下,耗能剪力墙中的阻尼器一方面适当削弱联肢剪力墙刚度以降低地震作用,另一方面阻尼器屈服后可耗散部分地震能量,从而减小墙肢及连梁的塑性损伤。将阻尼器与连梁组合为等效连梁,运用等效连续化方法对耗能剪力墙体系的刚度特性与阻尼特性进行了简化分析,对耗能剪力墙体系的减震机理进行了论证,并推导出体系关键参数的计算式。以阻尼器延性系数和联肢墙耦合比为设计控制指标,提出了该耗能剪力墙体系基于性能/需求的设计方法。设计实例表明：所提出设计方法简便可行;在参数设计合理的情况下,建议的耗能剪力墙体系具备良好的减震效果。     

Iterative step‐by‐step procedure for optimal placement and design of viscoelastic dampers to improve damping ratio

In this study, an iterative step‐by‐step procedure is proposed for optimal placement and design of viscoelastic dampers in order to achieve a target damping ratio based on simple equations and quick estimation. Through the procedure, the dampers are placed one by one in stories with maximum interstory drift at each sequence. Effect of lateral stiffness of added dampers and consequent changes in frequency of the structure as well as changes in damping characteristic of the structure after adding each damper are also considered at each sequence. In order to achieve an economical design, dampers are designed according to the lateral stiffness at each story of the main structure instead of using identical dampers in all stories. During the whole procedure, a time‐history analysis is performed at each sequence. Two numerical examples, including an 8‐story and a 15‐story building, are presented. The results indicate that optimal arrangement of dampers has a considerable influence on reduction of roof displacement up to 25% compared to uniformly distributed arrangement of dampers. In addition, with optimal arrangement, the number of dampers needed to achieve a specific interstory drift is significantly reduced, and the structural damping ratio is improved to a target value, reflecting global optimality of the proposed method.     

振动台试验对高层建筑结构设计的启示

2010年以后，我国高层、超高层建筑进入快速发展阶段，目前仍处于蓬勃上升期，我国已成为世界高层建筑发展的中心。抗震设计是我国高层建筑结构设计中的关键问题，而振动台模型试验是研究高层、超高层结构抗震性能的重要手段。通过科学、合理设计和精细模型加工，采用振动台试验可较准确测定结构的动力特性、动力响应和破坏形态，反映结构不规则性对抗震性能的影响，揭示薄弱部位。为此，以中国建筑科学研究院完成的28个实际工程模型振动台试验为基础，对试验结果和试验数据进行分类对比分析，研究阻尼比、整体刚度退化、连梁刚度折减系数、外框剪力比、加速度放大系数等影响高层建筑结构设计的参数和指标，并对有代表性和共性的结构薄弱部位及加强措施进行汇总，提出高层建筑结构设计相关的一些启示和设计建议。     

Seismic design and assessment of structures with viscous dampers at limit state levels: Focus on probability of damage in devices

During large earthquakes, the seismic demand of viscous dampers may exceed their capacity. In this regard, current design codes must consider extreme conditions and preserve the damper at limit state levels. Here, by adjusting the damping coefficient, a procedure is introduced to mitigate device damages during severe earthquakes. To assess the procedure, 15 special moment resisting frames with a different number of stories (two, four, and eight) were designed by three methods: The recommended novel procedure, the seismic provisions of ASCE7, and the procedure proposed by Miyamoto et al. 1 for structures, installed with supplemental damping devices. A series of incremental dynamic analyses were then performed by modeling the limit state behavior of viscous dampers. Results indicated that the novel method reduces the damage probability of dampers as well as the maximum demands on the structure at different seismic hazard levels.     

消能减震及软钢阻尼器的研究与应用综述

以单自由度体系为例,从结构的力学和能量角度对比分析了传统结构和装有附加耗能装置结构之间的区别,从而得出消能减震结构的原理;从耗能材料、耗能机理、受力形式等不同的角度对各类阻尼器进行了简单的汇总和分类;总结了国内外几种典型的软钢阻尼器,如X形阻尼器、三角形阻尼器、中空菱形阻尼器、圆形阻尼器等,并对这几种软钢阻尼器的提出、发展、优化、几何构造、减震原理等方面做了简要说明;针对目前利用阻尼器耗能的消能减震结构仍存在的很多亟待解决的问题,提出了阻尼器研究中有待解决的若干问题和今后阻尼器设计时可采取的一些建议。结果表明:消能减震结构比传统结构在同样的地震力作用下增加了阻尼器耗能,使原结构的塑性变形耗能和滞回耗能需求减少,从而减轻了主体结构的损伤程度;软钢阻尼器因其构造简单、力学性能稳定、造价相对低廉、耗能效果显著等优点,研究和应用最为普遍;阻尼器设计中应考虑合理设置阻尼器平面形状,设置多个耗能元件及耗能机制,利用新材料新技术减少焊接连接,建立更准确的本构关系以及更完备的指导规范。     

我国高层建筑钢-混凝土混合结构发展与展望

高层建筑钢-混凝土混合结构体系兼有钢结构和混凝土结构的优点。近年来,混合结构在我国高层及超高层建筑中得到了广泛的应用,但国内外对混合结构体系的抗震性能及设计中的一些关键技术问题尚有争议。对高层混合结构常用结构体系及工程应用实例等进行梳理,对混合结构的整体抗震性能、延性、构件设计、节点连接的可靠性、竖向变形差异、施工过程模拟、弹塑性时程分析、阻尼比等关键技术进行了讨论,并提出今后高层混合结构发展需进一步开展的研究工作。图6参10     

超高层建筑基于性能的组合消能减震结构设计及其应用

组合消能减震是在结构中组合应用速度型阻尼器和位移型阻尼器,地震作用下参与结构耗能,降低结构地震响应。基于性能的组合消能减震设计是从性能化设计理念出发,通过调整消能减震装置在结构中的布置位置和力学特性参数,在不同水准地震作用下分阶段发挥各阻尼器的作用,满足结构受力变形要求,提高结构抗震性能。以云南省昆明市一超高层建筑为工程背景,在结构中同时布置了速度型阻尼器和位移型阻尼器,研究了不同类型减震装置在结构中的较优布置位置,结果表明：本工程采用组合消能减震技术后,在多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下,各类减震装置均能充分参与结构耗能,相比传统抗震结构,其地震响应和构件损伤可得到更好的控制,整体结构能够满足预期抗震性能目标要求。