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浅谈消能减震结构

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维普资讯 http://www.cqvip.com 科技情报开发与经济 文章编号:1005~6033f2006)08—0165—02 SCI-TECH INFORMA FION I)EVELOPMENT&ECONOMY 2006年第16卷第8期 收稿日期:2005—12-05 浅谈消能减震结构 严东方 (华侨大学土木工程学院,福建泉州,362021) 摘果 要:阐述了消能减震设计的适用范围,介绍了工程结构消能减震体系的基本原理 和消能减震设计的基本方法,探讨了消能器的选择、数量确定、布置及其消能减震效 关键词:消能减震结构;抗震设计;消能设计 中图分类号:TU973 文献标识码:A 地震是一种破坏性极强的自然灾害,在地震中建筑物的大量破坏与 例塌是造成地震灾害的直接味因 、因此,完善现有结构抗震设计理论,研 汁算单元;对速度相关型消能器.应能体现两端相对移动速度与阻尼力 的非线性关系;对位移相关型消能器.应能输入相嘘的恢复力特性 究更加经济、安全、可霏的结构抗震新体系.已成为工程结佝抗震领域的 主耍课题。_往高层建筑设汁中.消能减震结构用于抗风设汁已经取得很 大发展,对有效减轻地震灾害具有重要的现实意义 第二,求解方法可采用给定侧力的静力弹塑性分析法或输入地震波 形的时程分析法。 第二,计算结果应给出消能器的最大受力、位移、连接部位的受力 l 消能设计的适用范围 消能部件通常包括带阻尼器的支撑或墙板,增加结构的总有效阻尼 能减少结构的水平和竖向地震作用,并不改变主体结构的受力体系.故 等,以便确定消能器的规格和连接构件的设汁 第四.计算结果可用于消能减震方案与非消能减震方案的比较.包 括位移、层间位移、楼层地震剪力、构件内力等的比较 当消能部件的分 布较均匀且消能结构总阻尼比不大于O 2O时,国内外的一些研究认为, 略去附加阻尼矩阵 的非正交项.采用振型阻尼比按振型广义坐标做 不受结构类型和高度的 当然,设置支撑和阻尼墙板的部位可能对 建筑的局部功能有所影响.需与建筑方案相配合 采用消能减震方案的建筑.在设防烈度地震下和罕遇地震F的层间 强行解耦的近似计算,即结构i振型原有阻尼比£ 为: 毒 = E / ̄A/,’ (1) 弹塑性变形可根据要求减少,控制在预期的范围内.也可能实现设防烈 度地震下不需修理而继续使用和罕遇地震F可修的要求 现阶段,对消能减震框架结构.其层间弹塑性位移角限值宜小于 1/80, l 从而在一定程度上提高了消能减震结构的抗震设防目标。 参 文献[2]指出的消能减震结构体系宜用于钢、钢筋混凝土及其 结构i振型附加阻尼比 为: }.F巾 c /2ro ̄/, .’(2、 与考虑非正交项的精确计算相比、误差大多在5%以内 (2)对非线性静力分析法,可采用消能减蓐结构的总刚度和总阻尼 比汁算 、对非线性时程分析法,宜采用消能部件的恢复力模型计算。对振 型分解反应谱法,应采用振型阻尼比汁算 (3)消能减震结构的总刚度( )为啄结构刚度( )和消能部件附加给 结构的有效刚度( )之和;总阻尼比(f)为原结构阻尼比(f )和消能器附 加给结构的有效阻尼比( )之和,即 k=k, (3) 组合结卞句房屋 由于消能装置可同时减少结构的水平和竖向地震作用, 故适用范围较广,结构类型和高度均 受 2消能减震设计的基本方法 消能减震设汁时,应根据罕遇地震下或设防烈度下预期的结构位移 控制要求,在适当的位置设置一定数量的消能部件,通过增_犬整个结构 的阻尼来减少结构的地震反应,并对设置消能部件的相关构件进行细部 = 幅 (4) (5) t6) 对于振型阻尼比有 毒= }q: }4 M c 币|构造设汁。消能部件可由消能器及斜撑、墙体、梁或节点等支承构件组 成 消能器町采用速度相关型、位移相关型或其他类型 2.1 消能减震体系的基本原理 式中, 善 ,靠分别为第 振型的总阻尼比、原结构第i振型阻尼比 和消能器附加的第i振型阻尼比: , , 分别为消能减震结构第 自 振周期、振型向繁和广义质量矩阵;e是消能器对结构的附加阻尼系数 矩阵 结构消能减震的实质是:在结构内设置消能构件.它们能为结构提 供较大的阻尼 在地震时,能夫量消耗输入结构的地震能量,有效衰减结 构的地震反应。 2,2消能减震结构的计算方法及要点 3消能器数量的确定及其布置 3.1消能器数量的确定 消能器的数量与消能器的类型、性能特征参数及地震作用有关,需 (1)消能减震结构和原结构的主要区别在于加大了阻尼比。火阻尼 比的阻尼矩阵不具有正变性.动力方程组不能解耦 、所以.一般应采用非 线性静力分析法或非线性时程分析法汁算 、当主体结构基卒处于弹性l[ 作阶段时,【lJ采用线性分析方法做近似估算,并根据结构的变形特征和 综合分析确定 、在消能器类型、型号一定的情况下.町采用能量法来初步 确定所需的数量.最后再通过时程分析进一步确定 参考文献[6]指出地 高度等,按《建筑抗震设计规范 5.1节的规定分别采用底部剪力法,振型 分解反应潜法和时程分析法 其地镬影响系数可根据消能减震结构的总 阻尼比按《建筑抗震设汁规范>5.1.4条的规定汁算 采用振型分解法属于 震时,消能减震体系在任何时刻的能量方程式为: E .=E+ + + + (7) 强行解耦近似计算。结构的抗震设计不能以振型分解反应谱法为主加以 时程分析的补充汁算.一般需要由专门的非线性汁算模型和相也的软件 计算。参考文献[5]提出矮基本要求是: 第一,计算模型中,应有能描述消能器(或消能耶件)非线・陛特性的 式中,E 为地震时输入结构体系的能量;E为结构体系振动的动 能; 为结构体系振动的势能; 为结构体系的黏滞阻尼消能量;邑为 结构体系的滞回消能量; 为消能佝件消耗的能量。 消能减震体系的抗震设计要求可以简化为: 165 维普资讯 http://www.cqvip.com 严东方浅谈消能减震结构 ≤ (8) 消能减震结构体系的地震输入总能量 可按多质点体系进行计 算: AS E =丁Zm 1 [∑ ] (9) 一i ,:l 式中,m 为第 质点的质量。i=1,2,…,n; 为第 振型的振型参数 与系数J=l,2,…,n;X 为第i质点的第 振型位移坐标;S为相应于第 振型的速度反应谱值 消能器所耗散的能量可根据消能器的滞回曲线求出。其近似表达式 为: EF伸』、,EE (1O) 式中:目为消能器的总消能量; 为单个消能器循环一周所耗散的 能量;n为消能器总的个数;』、,为消能器滞回循环次数,一般可达200~ 600次,在工程设计中为了便于安全。常取N=50次; 为不同消能器同 时工作系数,一般可取0.4加.6,常取妒_0.5。 由式(1O)可求得所需消能器的数量为: n≥盘‘ (… 3.2消能器的布置 根据参考文献[7]对各种消能器的介绍,可以得出以下结论: 肖能 器可以安装在单斜支撑、人字型支撵或x型支撑上,形成消能支撑。消 能支撑的布置应考虑结构的工作性能、建筑功能和经济等要求,综合比 较选择相对较好的方案。对于给定的结构,在消能器数量一定的情况 下。可根据可控度的概念,采用最优放置的顺序逼进法来确定消能支撑 的最优布置方案。将层问变形的均方值定义为最优位置指数,然后计算 出纯框架结构各层的最优位置指数,指数值最大的一层即为第一个消 能支撵的最优位置,应该在该层附加一个消能支撑。寻找第二个消能支 撑的最优位置时,由于结构中已增加了一个消能支撑而使结构体系的 刚度和等效黏性阻尼增大,因此在计算位景指数时,应考虑由于附加第 一个消能支撑而增大的刚度和阻尼系数,第二个消能支撑的位置根据 新一轮计算的指数确定。重复以上步骤,直到确定最后一个消能支撑的 位置 4消能器的类型应合理选择 目前,常用的消能器有速度相关型和位移相关型两类。速度相关型 包括黏滞消能器和黏弹性消能器.位移相关型包括金属屈服型消能器和 摩擦型消能器.以下介绍不同类型消能器的主要特点,作为选择消能器 的依据。 (1)黏滞消能器一般由装满液态阻尼材料的液缸和活塞组成,利用 液体通过活塞的节流孔产生阻尼力,自身无刚度。液态胆尼材料为硅油, 性能稳定,价格较高。其阻尼的大小与消能器两端相对移动的速度有关, 消能器的力——速度关系曲线,可用速度的幂函数表示。 (2)黏弹性消能器通常由夹层的固体黏弹性材料组成,通过固体黏 弹性材料的往复剪切变形耗散能量,有一定的初始刚度。其阻尼的大小 与消能器两端相对移动的速度有关.消能器的力——速度关系曲线,可 用位移的线性函数和速度的幂函数相加表示,黏滞消能器和黏弹性消能 器的性能,取决于频率、温度和应变,而且呈非线性特征。 (3)金属屈服型消能器通常由软钢或合金材料制成。当其受力达到 某个规定值(阀限)时,金属屈服,消能器的刚度明显降低,通过大变形耗 散能量,具有丰满的滞回特性。其构造简单,性能稳定,价格低廉;但金属 材料在反复拉压屈服时的疲劳性能影响其耐久性。 (4)摩擦型消能器可用普通材料制作,依靠锁紧力和材料的摩擦系 数形成阻尼力。其对主体结构有一定的附加刚度,自身仅具有理想弹塑 性的特点,需与主体结构构件串联形成双线性滞回特性的阻尼耗能效 果,主要问题是形成摩擦力的固定的锁紧力往往不能满足不同设防烈度 地震的消能要求,锁紧力在整个使用期内如何保持恒定等。 (5)复合型耗能器:复台型耗能器是利用两种以上的耗能元件或耗 能机制设计而成的新型耗能减震装置。已研制开发的复合耗能器有:弹 166 本刊E-mail:bjb@mail.sxinfo,ne[ 科技研讨 塑性摩擦耗能器、弹塑性黏弹性耗能器、摩擦黏弹性耗能器、流体黏弹性 阻尼器等。 (6)参考文献[8]还介绍了白耗能减震元件:白耗能减震元件是通过 在结构的适当部位有目的地设置“薄弱”环节,并对该环节采用特殊的构 :造措施,以期利用该薄弱部位的塑性变形消耗大量地震能量,从而保护 主体结构在大地震中不致:育大的损坏 5消能减震效果 理论分析,试验验证和工程实例均表明参考文献[3]介绍的消能减 震方法是有效的,它的减震效果一般在10%~40%之间。消能减震不仅可 用于旧房抗震设防,还可用于新建房屋的减震;不仅可用于多层,还可用 于高层,特别是利用隔热层减震,可作为房屋抗震的多遭防线之一,且不 会影响房屋的使用功能,是一种较理想的减震方法。 参考文献[9 J指出考虑自由行程的影响后。结构在地震时的位移反 应有所增加。不过在罕遇地震条件下,阻尼器自由行程给结构位移反应 带来的影响很小,因而在计算结构在罕遇地震下的反应时,可不考虑阻 尼器自由行程的影响 而在常遇地震条件下,阻尼器自由行程对结构的 位移反应已带来较大的影响,所以,计算结构在常遇地震下的反应时, 有必要考虑阻尼器自由行程的影响。另外,如果设计人员希望通过增大 附加阻尼的方式使结构在遭遇较大的地震时仍处于弹性状态,也有必 要考虑自由行程的影响。因此,消能减震效果还需要考虑自由行程的影 响。 普通框架模型的初始刚度和极限承载力较低,消能能力较差。普通 支撑框架模型的初始刚度和极限承载力较高,但刚度退化迅速,消能能 力和延性较差。消能支撑框架的滞回曲线饱满,消能能力强,骨架曲线下 降段坡度平缓.冈4度退化缓慢,延性和消能能力较普通框架和普通支撑 框架有较大提高。 6结语 消能减震技术是一种新型的抗震技术,这种技术不仅在新建工程中 获得l『应用,而且在已有建筑的抗震加固与震后修复中获得了发展,在 抗风设计中发挥了重要作用,消能减震技术在工程中的应用取得了较好 的经济效益与社会效益。 参考文献 [1]张玉敏,孙兆,英常燕.隔震和消能减震技术及应用[J].唐山高等专 科学校学报,2001(6):23—26. [2]张卫勇.工程结构消能减震体系的基本原理_与应用[J].山西建筑, 2004.430(7):21—22. [3]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997. [4]戴国萤.房屋建筑的隔震设计和消能减震设计[J1.建筑科学,2002 (10):56—62. [5]唐家祥,建筑隔震与消能减震设计[J].建筑科学,2002(2):2l一28. [6] 壬亚勇.黏滞型阻尼器安装误差对消能减震效率的影响研究[J].中 国建筑科学,2003(3):13—15. [7j李芳,陈平.结构消能减震技术的研究与应用[J].陕西水力发电, 1998.14(6):52—54. [8]牛金龙,施卫星,房屋建筑顶层采用橡胶支承的消能减震[J2.建筑 结构,2002(6):63—65. [9]王曙光,刘伟庆.蓝宗建.框架结构消能减震的试验研究[J]'东南大 学学报(自然科学版)+20 ̄,1(7):58—62. (实习编辑:李敏) 第一作者简介:严东方,男,1980年l2月生,现为华侨大学土木工程 学院2004级在读硕士研j 生,福建省泉州市,362021. (下转第172页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 贺丹丹。杨磊。伍铁斌基于 沌PID控制的高精度电阻炉温度控制系统研究 本刊E-mail:bib@mail iltfo.net 科技研讨 节、一个比例环节和一个滞后环节,即系统模型具有— 』 十l÷的形式。测得  , ,统的研究[J].湖北民族学院学报(自然科学版),2005.23(1):63—65. [2] 芦生,陶永华.新型PID控制器及其发展[J].工业仪表与自动化装 置,1998(3):55—59. r各参数分别为K=25,z 120,r=12 s,设电阻炉最终温度是500℃ 仿真结果见图2。 [3]李新刚.电加热炉炉温的智能控制[JI'科技情报开发与经济, 2004,14(1):188—189. 5结语 由于电阻炉是一个模型参数随炉温变化而变化的对象,很难获得精 确的数学模型。本文采用混沌PID控制,具有响应快、精度高和无超调等 优点,克服了常规的PID控制动态性能较差和常规模糊控制存在稳态误 差的缺点。仿真结果表明该算法使用可靠、精度高。而且具有较强的抗干 扰能力和较好的鲁棒性。优于常规的PID控制与模糊控制,在控制精度 要求较高的工程实践中具有广泛的实用价值和非常广阔的前景。 参考文献 [4]李祥飞,邹恩。张泰山。等.基于混沌优化的规范化PID控制器及其 应用[J].中南工业大学学报,2o02,33(3):301—304. [5]Hu B G,George K l+RaymfJ【ld G.New methodology )r analytical and optimal design offuzzy PID controlI Jj.IEEETrans on Fuzzy Systems,1999.7 (5):521-538. (责任编辑:胡建平) 第一作者简介:贺丹丹,女,1982年12月生,2005年毕业于湖南科 技大学,广东发展银行深圳分行,广东省深圳市文锦北路1049号源兴居 大厦1座5楼Abed室广发行,518020. [1]廖红华,钟建伟.基于FLjzzY—PlD控制的高精度电阻炉温控制系 Research on the Temperature Control System of Resistance Furnace with High Precision Based on Chaos-PID Control HE Dan-dan,YANG Lei,WU Tie-bin ABSTRACT:According to the temperature characteristic ̄oi’the real production process.ant]in view of skewing and uncertain complicated non—linear control problem systematically.this paper puts tbrward a new kind of chaos—PID control scheme and the temperature contro1 applied in the resistance furnace,A simulatic.n result shows that the algorithm is of reliability,high precision and strong ability of anti-interfere and robustness and it is much better than that of common PID control and Fuzzy control technique. KEY WORDS:resistance furnace;chaos-PID;temperature cc・ntrol 0—0—0一●一 ・ (E接第166页) Talking about the Energy—dissipating and Sh0ck一习Ibs0rbing Structure YAN Dong-fang ABSTRACT:This paper elaborates the applicability of the energy-dissipating and,,;hock—absorbing design,introduces the basic principle of the energy-dissipating and sho(:k—aI)s0rbing system of the engineering structure arid the basic method of the energy—dissipating and shock-absorbing design,and probes into the mode selection,quantity determinatiot1 anti arrangement of the shock-absorber and its energy-dissipating and shock-absorbing:results. KEY WORDS:energy’—dissipating and shock-—absorbing design;aseismic design;energy dissipating design (上接第170页) Study on the Integration of the Railv ̄ ay Pivots into]Metropolitan Urban Comprehensive Communication and Transp0】rtati0n System AN Xiao—gang ABSTRACT:Connecting with the c,haracteristics of the railway supply and the process of 0Ur country’s urbanization and the characteristics of the demand on the mode of the communication ant1 transportation produces from itthis paper D0ints .out that the railway industry should participate in the metropolitan comprehensive communication a¨L1 transportation system with the integrative form of the metropolitan railway in thc area where the railway pivots are h)catedmakes detailed ,analysis on the integration principle,the mathematical description and the technological process of railway’s parti(:ipating the metropolitan comprehensive communication and transportation system.air1 puts forward atl(1 defines the integrated product of the metropo]itan railway. KEY WORDS:urban area of metropolis;metropolitan comprehensive communicatic・n:integt‘ation;metropolitan railway 172 

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