基于耗能減震裝置的優(yōu)化設(shè)置的研究

1、基于耗能減震裝置的優(yōu)化設(shè)置的研究    摘要:在建筑物中設(shè)置耗能減震裝置,已在抗震領(lǐng)域研究多年,而阻尼安裝位置的優(yōu)化確是摩擦阻尼器應(yīng)用中面臨的主要問題之一.相同數(shù)量的阻尼器,不同的布置位置,將會對主體結(jié)構(gòu)的消能減震作用產(chǎn)生較大影響.對此,本文以某八層框架為例,通過ANSYS有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行八度多遇及罕遇地震作用分析,得出了結(jié)構(gòu)在無阻尼、循環(huán)優(yōu)化法及遺傳算法再優(yōu)化三種情況下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng).計算結(jié)果表明,安裝摩擦阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)抗震性能明顯提高;在摩擦阻尼器數(shù)量一定的前提下,通過遺傳算法對阻尼器位置布設(shè)的進一步優(yōu)化有利于減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng),提高結(jié)構(gòu)抗震

2、性能.關(guān)鍵詞:摩擦耗能減震裝置;摩擦阻尼器;結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計;遺傳算法被動控制是指考慮振動的一般特性,為隔離、減少或消耗輸入結(jié)構(gòu)內(nèi)的振動能量,事先在結(jié)構(gòu)內(nèi)某部位安裝經(jīng)過調(diào)整的彈簧、阻尼器等裝置,使結(jié)構(gòu)難以發(fā)生共振并減少主體結(jié)構(gòu)震動反應(yīng)的一種控制方法1.通常被動控制不需要外部提供能源,其控制力是控制裝置隨著結(jié)構(gòu)一起振動變形,因裝置自身的運動而被動產(chǎn)生的.在被動控制結(jié)構(gòu)中,摩擦耗能減震裝置由于其顯著的特性和優(yōu)點,目前越來越多的被廣泛采用2􀀁6.但摩擦耗能減震裝置在應(yīng)用中目前仍存在著兩大需要解決的問題,一是阻尼器的幾何參數(shù)的選擇;二是阻尼器安裝位置的確定.通常相同數(shù)量的阻尼器,布置位置

3、是否優(yōu)化,將會對主體結(jié)構(gòu)的消能減震作用產(chǎn)生較大影響.因此,本文運用循環(huán)法和遺傳算法的優(yōu)化方法對某八層框架結(jié)構(gòu)裝有被動控制的摩擦阻尼器進行計算,采用ELCentro波和天津波對其結(jié)構(gòu)進行地震響應(yīng)分析對比,得出了結(jié)構(gòu)在無阻尼、循環(huán)優(yōu)化法及遺傳算法再優(yōu)化三種情況下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),取得了較有意義的研究成果.1􀀁耗能器的選擇、數(shù)量確定及布置原則1.1􀀁耗能器的選擇目前研發(fā)的耗能器從作用機理上分為速度相關(guān)型、位移相關(guān)型和復(fù)合型耗能器.速度相關(guān)型耗能器(包括粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器)是利用與速度有關(guān)的粘性抵抗作用,從小振幅到大振幅的變化來獲得衰減力,其耗能能力取決于耗能器

4、兩端相對變形速度的大小;位移相關(guān)型耗能器(包括摩擦耗能器、金屬耗能器等)是利用滯回變形消耗能量,其耗能能力僅與耗能器兩端相對位移的大小有關(guān);而復(fù)合型耗能器是利用兩種或兩種以上的耗能元件或耗能機理耗散能量,這類耗能器計算模型較為復(fù)雜,若無特別突出的優(yōu)越性,一般不宜采用.通常耗能器的型號參數(shù)選用包括最大阻尼力、最大行程、工作效率等內(nèi)容.對于相應(yīng)的極限狀態(tài),必須確保耗能構(gòu)件具有相應(yīng)的安全富余度,在可動范圍內(nèi)必須避免破壞,所有耗能器的最大行程應(yīng)大于所在層最大位移的130%.其中,速度相關(guān)型耗能器還要有最大速度大于所在層最大速度的130%.另外,為使耗能器不會對結(jié)構(gòu)造成不利影響,保護支撐系統(tǒng)和連接點不會

5、因為阻尼力太大而先于結(jié)構(gòu)破壞,要控制大振作用下耗能器的阻尼力.1.2􀀁耗能器的數(shù)量的確定耗能器的數(shù)量和主要的性能特征參數(shù)與通常與地震作用有關(guān).在耗能器主要性能特征參數(shù)確定的情況下,可以用能量法初步確定所需要的數(shù)量,最后通過時程分析進一步驗證.在實際工程設(shè)計中,通常認為地震能量Ein全部由耗能器耗散和吸收,即:Ein􀀁EA(1)式(1)中:地震能量Ein可根據(jù)地震能量反應(yīng)譜確定;耗能器所消耗的能量EA可由耗能器的滯回環(huán)的面積求出,其近似表達式為:EA=n􀀁mEdi(2)式(2)中,Edi表示單個耗能器循環(huán)一周所耗散的能量,等于滯回曲線包圍的面

6、積,可以根據(jù)耗能器的恢復(fù)力模型進行計算;m為耗能器的循環(huán)次數(shù),一般可達200600次;􀀁為耗能器的工作系數(shù),一般可取0.40.6;n為耗能器的總數(shù).結(jié)合公式(1),(2)即可以初步確定耗能器的數(shù)量.1.3􀀁耗能器的布置原則在結(jié)構(gòu)平面上,耗能器的布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)盡量減小,確切地說,應(yīng)布置在結(jié)構(gòu)的外緣.一般在結(jié)構(gòu)的縱、橫方向都要布置耗能器且盡量組成L形、工字形、口字形,以便增強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,盡量使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與剛度中心重合在結(jié)構(gòu)立面上.另外,耗能器應(yīng)放在層間剪切位移較大的部位,如框架結(jié)構(gòu)的下部樓層,盡量采用對角線連接布置.對于給定的結(jié)構(gòu),在耗能器數(shù)目一

7、定的條件下,可根據(jù)可控度的概念,采用最優(yōu)放置順序逼近法來確定耗能支撐的最優(yōu)布置方案,將層間變形的均方值定義為最優(yōu)位置指數(shù).具體方法是可見文獻1.2􀀁耗能器布置位置優(yōu)化思路阻尼器的優(yōu)化設(shè)置是阻尼器減振設(shè)計過程中一個重要的環(huán)節(jié),它主要包含兩方面的問題:一是位置優(yōu)化合理的目標函數(shù);二是實現(xiàn)目標函數(shù)的方法.很多國內(nèi)外學著已經(jīng)提出很多優(yōu)化方法,如粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法7.本文使用的優(yōu)化方法如下:2.1􀀁循環(huán)法優(yōu)化循環(huán)法是以層間位移為控制函數(shù),每次在層間位移較大的樓層安裝摩擦阻尼器,然后采用時程分析計算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),判斷此時層間位移角是否滿足規(guī)范要求,如

8、果不滿足則要修改結(jié)構(gòu)剛度和阻尼矩陣,再進行計算和分析,直至最大層間位移滿足規(guī)范要求:|umax|􀀁u(3)具體的優(yōu)化流程見圖1.2.2􀀁􀀁、隨機給定一組初始解;􀀁、評價當前這組解的性能;􀀁、根據(jù)􀀁的評價結(jié)果,從當前解中選擇一定數(shù)量的解作為基因操作的對象;􀀁、對所選擇的解進行基因操作(雜交(交叉)、突變(變異),得到一組新的解;􀀁、返回到􀀁,對該組新的解進行評價;􀀁、若當前解滿足要求或進化過程達到一定的要求,計算結(jié)果,

9、否則轉(zhuǎn)向􀀁繼續(xù)進行.本文對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的耗能器的位置采用Matlab遺傳算法工具箱9進行優(yōu)化.應(yīng)用循環(huán)法優(yōu)化出來的摩擦阻尼器數(shù)量,將其均勻地分布在原結(jié)構(gòu)(未安裝阻尼裝置的結(jié)構(gòu))中,再以層間位移為優(yōu)化的目標函數(shù),運用遺傳算法進行位置的優(yōu)化.優(yōu)化模型為:求X=(x1,x2,􀀁,xi,􀀁􀀁0(j=1,2,􀀁,m)hk(X)=0(k=1,2,􀀁,p)式中:X稱為設(shè)計變量,xi為第i個設(shè)計參數(shù);f(X)稱為目標函數(shù);gj(X)􀀁0稱為不等式約束條件,hk(X)=0稱為等式

10、約束條件.具體的優(yōu)化流程見圖2.3􀀁計算實例3.1􀀁工程概況及模型的建立本工程為8層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),見圖3,1層層高5.2m,28層層高為3􀀁􀀁800mm,梁KL1截面為350mm􀀁700mm,梁KL2截面為250mm􀀁500mm.梁、柱混凝土分別采用C30和C40,彈性模量分別為3.0e10N/m2和3􀀁25e10N/m2,泊松比為0.2,混凝土容重為2500kg/m3,地震設(shè)防烈度為8度,􀀁􀀁bine14單元進行模擬,等效剛度

11、Kd=1.72E7N/m,等效阻尼Cd=5􀀁01E7N/m.通過約束六個方向的自由度實現(xiàn)模型下部與地面剛接.3.2􀀁結(jié)果分析本文采用經(jīng)循環(huán)設(shè)置方法,根據(jù)圖1的設(shè)計流程確定了結(jié)構(gòu)的摩擦阻尼器設(shè)置數(shù)量和位置,具體位置和數(shù)量見圖4所示;根據(jù)圖2的設(shè)計流程,運用遺傳算法對結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化,具體布置方式見圖5所示.本文分別采用10s記錄EL􀀁Centro波和20s記錄的天津波作為輸入的地震波,以加速度的形式施加,并將這兩種波的最大加速度分別調(diào)整到70gal和400gal,以便滿足􀀁類場地土的要求.地震波采用橫向輸入的方式分別對純框

12、架結(jié)構(gòu)、循環(huán)法設(shè)置摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)和遺傳算法再優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行分析,得出了三種模型各樓層的位移反應(yīng),見圖6圖9所示.從圖6圖9可以看出,在EI􀀁Centro波和天津波兩種地震波的作用下,摩擦阻尼結(jié)構(gòu)均發(fā)揮了良好的消能減震效果.無論是在8度多遇地震強度作用下還是在8度罕遇地震強度作用下,對于選擇的對比參數(shù)中頂層的位移時程,摩擦阻尼結(jié)構(gòu)都比原始結(jié)構(gòu)要減40%左右.說明摩擦阻尼器無論是在多遇地震強度下還是在罕遇地震強度作用下,都能夠很好的發(fā)揮消能減震的作用.從圖6圖9可以看出,結(jié)構(gòu)在進行遺傳算法再優(yōu)化后,比優(yōu)化前結(jié)構(gòu)在多遇的地震強度作用下,頂層的最大彈性位移要降低約17%.罕遇地震強度作

13、用下,頂層的最大彈性位移要降低約10%.而且,層間側(cè)移也有了一定程度上的減小,其中,2、3、4層的降低最為明顯.遺傳算法優(yōu)化后各層的最大層間相對位移也較為平均,這樣更有利于充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)各層所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能.由上可見,布置相同數(shù)量的阻尼器,應(yīng)用遺傳算法再次優(yōu)化后,結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)又有所降低,更有利于結(jié)構(gòu)性能的發(fā)揮.因此,對于摩擦阻尼器位置的優(yōu)化設(shè)計是有必要的.4􀀁結(jié)􀀁論本文采用三種不同的方法對同一結(jié)構(gòu)進行了8度多遇及罕遇地震作用下的時程分析,得到如下主要結(jié)論:(1)本文采用循環(huán)布置法有效而且直觀的確定了結(jié)構(gòu)所需加設(shè)阻尼器的總數(shù)量,并給出了一定的布置形式.利

14、用遺傳算法對相同阻尼器數(shù)量的減震結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,使得結(jié)構(gòu)在相同的阻尼器數(shù)量下,有更好的減震效果.這種將循環(huán)布置法與遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化思路,對于耗能減震結(jié)構(gòu)的阻尼器優(yōu)化有良好的效果.(2)計算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)在進行遺傳算法再優(yōu)化后,比優(yōu)化前結(jié)構(gòu)在多遇的地震強度作用下,頂層的最大彈性位移要降低約17%.罕遇地震強度作用下,頂層的最大彈性位移要降低10%.(3)計算結(jié)果表明,本文采用了EI􀀁Centro波和天津波對結(jié)構(gòu)進行阻尼器的優(yōu)化分析,其優(yōu)化結(jié)果基本一致,從而說明了不同優(yōu)化方法對地震波有較好的適應(yīng)性,避免了出現(xiàn)不同地震波優(yōu)化結(jié)構(gòu)大相徑庭的現(xiàn)象.(4)計算結(jié)果表明,在地震作用下,摩

15、擦阻尼器對結(jié)構(gòu)的減震控制有很明顯的效果.安裝有摩擦阻尼器的結(jié)構(gòu)在地震過程中,總體地震動力響應(yīng)減小了40%以上,大大優(yōu)化了結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能,提高了結(jié)構(gòu)的安全儲備.(5)計算結(jié)果表明,在多遇地震作用下,摩擦阻尼器能夠正常工作,達到􀀁小震不壞,中震可修􀀁的設(shè)防標準;同時在罕遇地震作用下,摩擦阻尼器仍然能夠正常工作,使結(jié)構(gòu)不僅能達到􀀁大震不倒􀀁的設(shè)防標準,而且也達到了􀀁大震可修􀀁的標準.參考文獻􀀁 1 􀀁 歐進萍. 結(jié)構(gòu)振動控制􀀁

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