高層框架層間隔震及阻尼耗能結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程分析-張明超

各位老師，各位同學(xué)，

大家下午好！高層框架層間隔震及阻尼耗能結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程分析辯論人：張明超專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程導(dǎo)師：盛宏玉辯論時(shí)間：2021年4月23日第一章緒論第二章ANSYS軟件介紹及有限元模型的實(shí)現(xiàn)第三章層間隔震結(jié)構(gòu)的構(gòu)成及其有限元理論

第四章消能減震結(jié)構(gòu)的理論分析

第五章層間隔震及消能減震結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析

第六章結(jié)論與展望論文工作內(nèi)容第一章緒論

1.1引言1.2有限元方法有限元法是20世紀(jì)中期提出的，是計(jì)算力學(xué)的主要方法之一，計(jì)算力學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)與力學(xué)學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物。將整體離散化為單元模型，通過(guò)對(duì)單元計(jì)算求解然后整合到整個(gè)結(jié)構(gòu)模型可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析，機(jī)械分析，靜力分析，動(dòng)力分析，熱分析等各個(gè)領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的迅速開展為有限元法的研究提供了平臺(tái)1.4本文的主要工作內(nèi)容本課題根據(jù)三維有限元理論對(duì)某12層框架結(jié)構(gòu)用大型有限元通用軟件ANSYS進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，結(jié)構(gòu)模型分為四類，分別是抗震結(jié)構(gòu)，隔震結(jié)構(gòu)，消能結(jié)構(gòu)和隔震消能結(jié)構(gòu)。隔震層設(shè)置于一層柱頂，消能支撐取為人字形支撐，分別沿橫向和縱向進(jìn)行豎向布置，選取的地震波有唐山波，EL-Centro波和Taft波。課題的分析內(nèi)容具體包括以下幾方面：〔1〕首先研究了抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣，然后利用哈密頓原理得到結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣并建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力方程〔2〕在用ANSYS有限元建模中，選Beam188單元作為鋼筋混凝土梁柱的單元類型，能很好地描述鋼筋混凝土梁柱的受力性能，選用Shell63單元作為樓板的單元類型，選用combin14單元和combin40單元共同模擬隔震墊。建立四種結(jié)構(gòu)模型，以便在這四種結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算分析中進(jìn)行比較與分析?！?〕本文擬采用有限元理論中的子空間迭代法求解結(jié)構(gòu)的自振特性；結(jié)構(gòu)根本動(dòng)力方程的求解擬采用Newmark-β法，獲得結(jié)構(gòu)在地震波作用下的時(shí)間歷程響應(yīng)。比較絕對(duì)位移，絕對(duì)加速度和層間位移這三個(gè)重要參數(shù)來(lái)分析比較層間隔震和阻尼耗能的隔震減震效果。對(duì)建立的四種結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析比較。第二章ANSYS軟件介紹及有限元模型的實(shí)現(xiàn)

2.1ANSYS軟件的概述2.2ANSYS單元介紹梁?jiǎn)卧獨(dú)卧粽饐卧拖軉卧?.1ANSYS軟件概述ANSYS通過(guò)GUI菜單操作或命令批處理操作方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其有限元分析流程如下：〔1〕前處理。包括分析環(huán)境設(shè)置、定義單元以及材料類型、建立幾何模型、進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義邊界及約束條件?！?〕施加荷載、設(shè)置求解參數(shù)并求解。包括定義荷載信息、制定分析類型和分析選項(xiàng)、執(zhí)行求解計(jì)算。其中，分析類型有靜力學(xué)分析，屈曲分析，模態(tài)分析，諧載荷響應(yīng)分析，瞬態(tài)動(dòng)力分析，子結(jié)構(gòu)分析，譜分析等。〔3〕后處理。包括進(jìn)入后處理器并讀入計(jì)算結(jié)果、進(jìn)行后處理操作、輸出后處理操作的結(jié)果。梁?jiǎn)卧狟eam188〔定義方向點(diǎn)〕2.2ANSYS單元介紹殼單元Shell63隔震支座單元Combin40和Combin14消能支撐單元Combin14單元Combin14模型單元Combin40模型Combin40的雙線性模型組合圖3.1隔震結(jié)構(gòu)的根本構(gòu)成3.2隔震裝置的設(shè)計(jì)理論3.3層間隔震結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型和動(dòng)力方程第三章層間隔震結(jié)構(gòu)的構(gòu)成及其有限元理論3.1隔震結(jié)構(gòu)的根本構(gòu)成①表示在豎向方向支撐上部結(jié)構(gòu)的裝置；②表示在水平方向支撐上部結(jié)構(gòu)的裝置；③表示上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)位移時(shí)吸收能量的單元，隔震支座的結(jié)構(gòu)特征形狀系數(shù)形狀系數(shù)橡膠支座理論的假定條件〔1〕微小變形理論〔2〕內(nèi)部鋼板的全鋼化〔3〕非壓縮性材料〔4〕理論公式的修正3.2隔震裝置的設(shè)計(jì)理論3.3層間隔震結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型和動(dòng)力方程

線彈性本構(gòu)模型〔a〕非線性彈性關(guān)系〔b〕第四章消能減震結(jié)構(gòu)的理論分析4.1耗能減震的概念和原理4.2消能減震結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理和性能4.3消能結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程的建立

4.1耗能減震的概念和原理消能支撐的形式耗能支撐的布置4.3消能結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程的建立一般結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)微分方程，，分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣，阻尼矩陣和剛度矩陣消能減震結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)微分方程，分別為阻尼器附加給結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣和剛度矩陣4.3.2數(shù)值求解方法〔1〕線性加速度法：這種方法的根本假定是，質(zhì)點(diǎn)的加速度反響在任一微小時(shí)段〔即積分時(shí)段〕Δt內(nèi)的變化呈線性關(guān)系〔2〕威爾遜θ法〔Wilsion-θ法〕威爾遜θ法是線性加速度法的變形，兩者的區(qū)別在于，線性加速度法在時(shí)刻使用運(yùn)動(dòng)方程，而威爾遜θ法那么將運(yùn)動(dòng)方程應(yīng)用于更后一點(diǎn)的時(shí)刻〔θ>1〕〔3〕Newmark方法ANSYS程序使用Newmark時(shí)間積分方法在離散的時(shí)間點(diǎn)上求解這些方程。Newmark時(shí)間積分方法是直接積分法中常見(jiàn)的一種。該方法是對(duì)連續(xù)變量時(shí)間t進(jìn)行離散化，將動(dòng)力反響的計(jì)算時(shí)域[0，T]劃分成有限個(gè)相等時(shí)間間距Δt的子域，得到有限個(gè)瞬時(shí)點(diǎn)0，Δt，2Δt，ti+Δt，…，T，然后針對(duì)這些特定瞬時(shí)點(diǎn)求解動(dòng)力方程。Newmark-β法是一種無(wú)條件穩(wěn)定的隱式積分格式第五章層間隔震及消能減震結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析5.1工程概況5.2模型參數(shù)設(shè)置5.3結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析和地震波的選取5.4結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程分析5.1工程概況本文算例是一個(gè)12層框架結(jié)構(gòu)，其根本參數(shù)如下：X方向總長(zhǎng)32.4米m，Y方向總長(zhǎng)15.3m；共12層，1層層高4.5m，2～12層層高3.6m；1～4層柱取600×600mm，混凝土等級(jí)為C35，5～8層柱取600×600mm，混凝土等級(jí)為C30，9～12層柱取500×500mm，混凝土等級(jí)為C30；梁橫向取300×600mm，縱向取300×500mm，混凝土等級(jí)都為C25；板厚120mm，混凝土等級(jí)為C25?；炷寥葜厝?500kg/m3。消能支撐的布置位置圖5-3抗震結(jié)構(gòu)三維有限元模型圖5-4隔震結(jié)構(gòu)三維有限元模型圖5-5消能結(jié)構(gòu)三維有限元模型圖5-6隔震消能結(jié)構(gòu)三維有限元模型5.2模型的參數(shù)設(shè)置材料參數(shù)結(jié)構(gòu)為丙類建筑類別，II類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)分組為第一組，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)根本地震加速度為0.1g。消能支撐的軸向彈簧常數(shù)取為1.12e9N/m，阻尼系數(shù)取為1.02e7N*s/m隔震支座的型號(hào)選為GZY400-805.3結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析和地震波的選取

5.3.1結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

本文對(duì)四種結(jié)構(gòu)采用子空間迭代法分別進(jìn)行模態(tài)分析，得到四種結(jié)構(gòu)前100階的模態(tài)，然后進(jìn)行模態(tài)分析。由于對(duì)結(jié)構(gòu)起主要控制作用的是前面幾階模態(tài)，表5-3只列出模態(tài)的前12階模態(tài)。抗震結(jié)構(gòu)的的第一自振周期為1.0278s，增加隔震層之后，第一自振周期延長(zhǎng)為1.3355s，說(shuō)明層間隔震結(jié)構(gòu)具有足夠柔的水平剛度，可以有效的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的根本周期，結(jié)構(gòu)的地震相應(yīng)也隨之減小。在消能支撐結(jié)構(gòu)中，由于在結(jié)構(gòu)中增加了斜向支撐，使得結(jié)構(gòu)的水平剛度增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的自振周期反而有所減小。圖5-7四種模型自振周期比照表5-4振型參與相比照值表5-4為前12階振型參與系數(shù)的相比照值，從表中可以看出：在Y方向上，抗震結(jié)構(gòu)，隔震結(jié)構(gòu)和消能結(jié)構(gòu)起主要控制作用的是第一階和第四階，而隔震消能結(jié)構(gòu)起主要控制作用的是第一階和第五階，圖5-8，圖5-9，圖5-10，圖5-11分別是四種結(jié)構(gòu)模型對(duì)結(jié)構(gòu)起主要控制作用的主振型圖〔Y方向〕。由圖中模態(tài)形狀可知，其中，第1階主振型呈倒三角形分布，第4階主振型呈S形分布；對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)，在隔震層位置處出現(xiàn)位移突變，說(shuō)明隔震層上部和隔震層下部之間會(huì)出現(xiàn)較大的相對(duì)位移，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要特別注意，需要將此相對(duì)位移控制在一定范圍之內(nèi)。而通過(guò)對(duì)解的結(jié)果分析，確定第一階振型為橫向〔Y向〕運(yùn)動(dòng)，即結(jié)構(gòu)在橫向〔Y向〕上為薄弱方向。因此，在進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)，應(yīng)選擇橫向〔Y向〕輸入地震波。在后面進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析得到的圖表，都是在橫向〔Y向〕地震波輸入情況下得到的。圖5-8抗震結(jié)構(gòu)主振型圖5-9隔震結(jié)構(gòu)主振型圖5-10消能結(jié)構(gòu)主振型圖5-11隔震消能結(jié)構(gòu)主振型5.3.2地震波的選取在地震動(dòng)時(shí)程響應(yīng)的分析中，地震烈度為7度常遇，根據(jù)?建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?，如表5-5所示，選定加速度峰值為35cm/s2。在實(shí)際地震波根底上，從初始時(shí)刻截取包括峰值在內(nèi)的加速度時(shí)程曲線，其持續(xù)時(shí)間根據(jù)抗震標(biāo)準(zhǔn)條文說(shuō)明，取為結(jié)構(gòu)根本周期的5～10倍。根據(jù)模態(tài)分析，隔震結(jié)構(gòu)根本周期為1.3355s，因此，地震波持續(xù)時(shí)間至少為6.7s。在動(dòng)力時(shí)程分析中，不能只計(jì)算一條波的時(shí)程響應(yīng)，所以本文中的地震波選用Taft波，唐山波、El-centro波三條波作為地震輸入波。其中，Taft波12s，時(shí)間步長(zhǎng)0.02s；唐山波8s，時(shí)間步長(zhǎng)0.01s；EL-Centro波12s，時(shí)間步長(zhǎng)0.02s。5.4結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程分析從上圖中可以看出：1.在結(jié)構(gòu)中設(shè)置隔震支座后，增加了結(jié)構(gòu)的阻尼，與抗震結(jié)構(gòu)相比，其振動(dòng)響應(yīng)會(huì)迅速衰減，隔震結(jié)構(gòu)的絕對(duì)位移峰值先于抗震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，而且其峰值明顯降低，以Taft波作用為例，抗震結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的最大位移值為17.5mm，隔震結(jié)構(gòu)的最大位移值為9.8mm，隔震效果到達(dá)了44%。2.由于消能結(jié)構(gòu)吸收了地震動(dòng)的能量，因此消能結(jié)構(gòu)同樣降低了振動(dòng)的響應(yīng)，有效地降低了結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，以Taft波作用為例，結(jié)構(gòu)頂部最大絕對(duì)位移值由17.5mm降低到了8.0mm，效能減震效果到達(dá)了54.3%。3.比較隔震和消能結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，比隔震或消能單獨(dú)作用下效果更加明顯，以Taft波作用為例，結(jié)構(gòu)頂部最大絕對(duì)位移值由17.5mm降低到6.3mm，隔震消能效果到達(dá)了64%。4.由于隔震支座增大了結(jié)構(gòu)的有效阻尼，有效地抑制了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，使得結(jié)構(gòu)的加速度明顯降低，同時(shí)，由于消能支撐的設(shè)置，在地震作用下，有效地吸收了地震動(dòng)的能量，使得傳給主體結(jié)構(gòu)的能量大大減少，也很好地抑制了地震動(dòng)的響應(yīng)。Taft波作用下結(jié)構(gòu)層間位移響應(yīng)以Taft波為例，查看結(jié)構(gòu)的層間位移響應(yīng)和各層最大位移峰值。由頂層層間位移時(shí)程曲線可以看到，隔震結(jié)構(gòu)，消能支撐結(jié)構(gòu)，隔震與消能支撐聯(lián)合結(jié)構(gòu)的層間位移均小于抗震結(jié)構(gòu)的層間位移。其中，隔震消能結(jié)構(gòu)的層間位移響應(yīng)最小。從整體上來(lái)看，在各層絕對(duì)位移峰值的比較中，隔震結(jié)構(gòu)，消能支撐結(jié)構(gòu)，隔震與消能支撐聯(lián)合結(jié)構(gòu)的最大絕對(duì)位移均小于抗震結(jié)構(gòu)的最大絕對(duì)位移，隔震與消能支撐聯(lián)合結(jié)構(gòu)的各層最大絕對(duì)位移值最小。隔震結(jié)構(gòu)由于在一層柱頂設(shè)置隔震支座，在結(jié)構(gòu)一層出現(xiàn)較大的層間位移，這主要是由于隔震支座發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的，在隔震層以上各個(gè)樓層，結(jié)構(gòu)的最大絕對(duì)位移開始出現(xiàn)平穩(wěn)變化，而消能支撐結(jié)構(gòu)在各個(gè)樓層均變化平穩(wěn)。第六章結(jié)論與展望

1.采用大型通用軟件ANSYS中梁、殼單元建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，能夠很好地模擬空間抗震結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移，加速度等響應(yīng)，使得計(jì)算結(jié)果更能符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力和變形等特點(diǎn)。2.本文對(duì)某12層框架結(jié)構(gòu)通過(guò)用GUI操作和命令流操作建立四種不同的結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行計(jì)算分析。分析結(jié)果說(shuō)明，在結(jié)構(gòu)底部設(shè)置隔震層，能很好的起到減弱地震作用對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，特別是頂層的絕對(duì)位移將大大減?。辉诮Y(jié)構(gòu)的橫向和縱向施加消能支撐桿件，能有效地吸收地震作用傳給結(jié)構(gòu)的能量，降低結(jié)構(gòu)的位移，加速度等響應(yīng)，能很好的保護(hù)結(jié)構(gòu)主體框架。3.由于模型的單元數(shù)目龐大，結(jié)構(gòu)的模態(tài)數(shù)也成千上萬(wàn)，根據(jù)各階模態(tài)的參與系數(shù)等振型特點(diǎn)，能夠找出在X和Y兩個(gè)主方向上對(duì)結(jié)構(gòu)起控制作用的模態(tài)，而其他模態(tài)可以忽略，為動(dòng)力時(shí)程分析提供有效的求解數(shù)據(jù)。通過(guò)模態(tài)分析計(jì)算可知，層間隔震增大了結(jié)構(gòu)水平方向的阻尼，可以有效的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的根本周期，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也隨之減??；在消能支撐結(jié)構(gòu)中，由于在結(jié)構(gòu)中增加了人字形支撐，使得結(jié)構(gòu)的水平剛度增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的自振周期反而有所減小，這對(duì)結(jié)構(gòu)顯然是不利的，但在后面的動(dòng)力時(shí)程分析中說(shuō)明：由于在地震反響中，消能支撐桿件吸收了地震能量，降低了結(jié)構(gòu)在地震作用時(shí)的位移，加速度等，從而對(duì)結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件起了很好的保護(hù)作用。4.層間隔震和阻尼耗能減震對(duì)結(jié)構(gòu)的減震效果都比較明顯，特別是在高層結(jié)構(gòu)以及加固設(shè)計(jì)中用途更加廣泛，將層間隔震和阻尼耗能減震綜合起來(lái)用到同一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)中，能夠更有效的減小地震對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，有著廣闊的開展前景。6.2展望

由于時(shí)間和能力有限，本文對(duì)研究的內(nèi)容做了諸多假設(shè)，如直接在樓板和柱頂之間設(shè)置隔震支座