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(huì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的消能減震作用產(chǎn)生較大影響.對(duì)此,本文以某八層框架為例,通過ANSYS有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)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(duì)阻尼器位置布設(shè)的進(jìn)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(jì);遺傳算法被動(dòng)控制是指考慮振動(dòng)的一般特性,為隔離、減少或消耗輸入結(jié)構(gòu)內(nèi)的振動(dòng)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(dòng)反應(yīng)的一種控制方法1.通常被動(dòng)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(dòng)變形,因裝置自身的運(yùn)動(dòng)而被動(dòng)產(chǎn)生的.在被動(dòng)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(diǎn),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(huì)對(duì)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(yùn)用循環(huán)法和遺傳算法的優(yōu)化方法對(duì)某八層框架結(jié)構(gòu)裝有被動(dòng)控制的摩擦阻尼器進(jìn)行計(jì)算,采用ELCentro波和天津波對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析對(duì)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(jī)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(duì)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(duì)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(jī)理耗散能量,這類耗能器計(jì)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(hào)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(duì)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(dòng)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(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響,保護(hù)支撐系統(tǒng)和連接點(diǎn)不會(huì)

5、因?yàn)樽枘崃μ蠖扔诮Y(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(shí)程分析進(jìn)一步驗(yàn)證.在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,通常認(rèn)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(dá)式為:EA=n􀀁mEdi(2)式(2)中,Edi表示單個(gè)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(jìn)行計(jì)算;m為耗能器的循環(huán)次數(shù),一般可達(dá)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(qiáng)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(duì)角線連接布置.對(duì)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(xiàn)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(jì)過程中一個(gè)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(biāo)函數(shù);二是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的方法.很多國(guó)內(nèi)外學(xué)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(shí)程分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),判斷此時(shí)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(jìn)行計(jì)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(jī)給定一組初始解;􀀁、評(píng)價(jià)當(dāng)前這組解的性能;􀀁、根據(jù)􀀁的評(píng)價(jià)結(jié)果,從當(dāng)前解中選擇一定數(shù)量的解作為基因操作的對(duì)象;􀀁、對(duì)所選擇的解進(jìn)行基因操作(雜交(交叉)、突變(變異),得到一組新的解;􀀁、返回到􀀁,對(duì)該組新的解進(jìn)行評(píng)價(jià);􀀁、若當(dāng)前解滿足要求或進(jìn)化過程達(dá)到一定的要求,計(jì)算結(jié)果,

9、否則轉(zhuǎn)向􀀁繼續(xù)進(jìn)行.本文對(duì)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(jìn)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(biāo)函數(shù),運(yùn)用遺傳算法進(jìn)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(jì)變量,xi為第i個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù);f(X)稱為目標(biāo)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(jì)算實(shí)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(jìn)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(gè)方向的自由度實(shí)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(jì)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(jì)流程,運(yùn)用遺傳算法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)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(chǎng)地土的要求.地震波采用橫向輸入的方式分別對(duì)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(jìn)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(qiáng)度作用下還是在8度罕遇地震強(qiáng)度作用下,對(duì)于選擇的對(duì)比參數(shù)中頂層的位移時(shí)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(qiáng)度下還是在罕遇地震強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度作用下,頂層的最大彈性位移要降低約17%.罕遇地震強(qiáng)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(duì)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(duì)于摩擦阻尼器位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)是有必要的.4􀀁結(jié)􀀁論本文采用三種不同的方法對(duì)同一結(jié)構(gòu)進(jìn)行了8度多遇及罕遇地震作用下的時(shí)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(duì)相同阻尼器數(shù)量的減震結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)于耗能減震結(jié)構(gòu)的阻尼器優(yōu)化有良好的效果.(2)計(jì)算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)在進(jìn)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(qiáng)度作用下,頂層的最大彈性位移要降低約17%.罕遇地震強(qiáng)度作用下,頂層的最大彈性位移要降低10%.(3)計(jì)算結(jié)果表明,本文采用了EI􀀁Centro波和天津波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)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(jì)算結(jié)果表明,在地震作用下,摩

15、擦阻尼器對(duì)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(dòng)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(chǔ)備.(5)計(jì)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(dá)到􀀁小震不壞,中震可修􀀁的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)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(dá)到􀀁大震不倒􀀁的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),而且也達(dá)到了􀀁大震可修􀀁的標(biāo)準(zhǔn).參考文獻(xiàn)􀀁 1 􀀁 歐進(jìn)萍. 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制􀀁

16、主動(dòng)、半主動(dòng)和智能控制 M . 北京: 科學(xué)出版社, 2003.OU Jin􀀁ping . Structural v ibratio n contro l􀀁 Activ e and semi􀀁active and intellig ent contro l M . Beijing: Science Press, 2003. 2 􀀁 周福霖. 工程結(jié)構(gòu)減震控制M . 北京: 地震出版社, 1997.ZH OU Fu􀀁 lin. Damping contro l of eng ineer ing str uc

17、tures M . Beijing: Earthquake Press, 1997. 3 􀀁 PALL A S, VERGANELAKIS V, MARSH C. Fr ictio n􀀁Dampers fo r Seismic Control of Concordia University Library Building C . Proc. of 5th Canadian Conference o n Ear thquake Engineer ing, Ottaw a, 1987. 4 􀀁 SAHAI R. Per formance Ba

18、sed Design of 4􀀁st or y Moscone Convent ion Center Ex pansio n Using Steel Couple Gir der Moment Resisting Fr ame and Friction Damper s C 􀀁 Pro ceedings, SEAOC Anuual Convention, Santa Barbara,California, 2000. 5 􀀁 歐進(jìn)萍, 鄒向陽(yáng). 振戎中學(xué)食堂樓耗能減震分析與設(shè)計(jì)( I) 􀀁 反應(yīng)譜法 J . 地震工程與工程

19、振動(dòng), 2001 , 21( 1) ,109􀀁114.OU Jin􀀁ping , ZOU Xiang􀀁y ang . Seismic analysis and desig n of ener gy o f Zhenro ng high schoo l􀀁 Dining􀀁ro om( I) 􀀁Response spect rum met ho d J . Ear thquake Engineer ing and Engineer ing Vibration, 2001, 21( 1) , 1

20、09􀀁114. 6 􀀁 NIELSEN L O, MUALLA I H , IWAI Y. Seismic Iso lation w ith a New Fr ictio n􀀁Viscoelast ic Damping System C 􀀁Proceeding s, 13th Wo rld Confer ence on Earthquake Eng ineer ing, Vancouver , 2004. 7 􀀁 周建中, 趙鴻鐵, 薛建陽(yáng). 黏彈性阻尼結(jié)構(gòu)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 J . 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2005,37( 1) : 35􀀁39.ZH OU Jian􀀁zho ng , ZH AO H ong􀀁t ie, XU E Jian􀀁y