一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法与流程

本发明涉及建筑工程中的结构设计领域，特别涉及一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法。

背景技术：

1、消能减震技术通过在建筑结构中的特定位置设置消能器以增加结构阻尼，有效地消耗地震能量，减小结构在地震作用下的响应，从而提升建筑的抗震安全性。消能器的减震效果一般可以通过附加阻尼比来判断。

2、根据消能器耗能机理的不同，可分为速度型消能器和位移型消能器两大类：

3、1)速度型消能器通常由黏滞或黏弹性材料制成，在地震往复作用下利用其黏滞和黏弹材料的特性来耗散地震能量，消能器耗散的地震能量与消能器变形的速度相关。以黏滞消能器为代表的速度型消能器力学行为可采用maxwell模型描述：

4、

5、式中：fj为第j个黏滞消能器出力，α为黏滞消能器速度指数，c为黏滞消能器阻尼系数，为消能器速度，sgn()为符号函数，wcj为消能器在预期变形下往复环一周所消耗的能量，λ1为与阻尼指数有关的函数，可按《建筑消能减震技术规程》(jgj297-2013)取值，为第j个消能器在相应水平地震作用下的最大出力，为第j个消能器两端的最大相对水平位移。

6、2)位移型消能器通常用塑性变形性能好的材料制成，在地震往复作用下通过其良好的塑性滞回耗能能力来耗散地震能量，消能器耗散的地震能量与消能器变形量相关。位移型消能器力学行为一般可通过双线性模型描述：

7、

8、式中：fj为第j个黏滞消能器出力，k1、k2分别为位移型消能器屈服前、屈服后刚度，δuj为第j个消能器两端的相对水平位移，uy为消能器屈服位移，fy为消能器屈服力，wcj为消能器在预期变形下往复环一周所消耗的能量。

9、附加阻尼比的常用计算方法有三种，包括“规范法”，对比能量曲线的“能量法”，以及对比结构动力响应的“结构相应对比法”。

10、1)规范法

11、《建筑抗震设计规范》(gb50011-2010)第12.3.4条和《建筑消能减震技术规程》(jgj297-2013)第6.3.2条中指出，消能部件提供的附加有效阻尼比可按下式计算：

12、

13、式中：ξa为消能减震结构的附加有效阻尼比；wcj为第j个消能部件在预期最大位移下往复一周所消耗的能量；ws为消能减震结构在水平地震作用下的总应变能。

14、当不计结构扭转影响时，消能减震结构在水平地震作用下的总应变能ws，可按下式计算：

15、wsf/2

16、式中：fi为质点i的水平地震作用标准值；ui为质点i对应于水平地震作用标准值的位移。实际操作时，可取结构水平地震作用下的层剪力标准值与层间位移标准值的乘积，或者层间剪力标准值与层位移标准值的乘积。

17、2)能量法

18、能量法是基于结构各部分的耗能与其自身的阻尼呈线性关系，根据结构固有阻尼比、固有阻尼比对应的耗能和消能器耗能，推算出消能器附加给结构的阻尼比，可按下式计算。

19、

20、式中：ξ1为结构固有阻尼比(混凝土结构为5％，钢结构为2％，混合结构需按材料区分计算出一个总阻尼比)，w1为结构固有阻尼比对应消耗的能量，wd为消能器耗能。

21、3)结构响应对比法

22、结构响应对比法是采用等效对比结构动力响应的方法来确定消能减震结构的附加阻尼比。具体实施方法：采用一个有消能器的模型与一组具有不同阻尼比的无消能器的模型进行对比，分别施加同样的时程函数进行动力时程分析，对比结构的动力响应(层剪力、层位移和结构顶点位移等参数)，找到一个与有消能器模型反应最为接近的某个无消能器模型，则认为该模型的阻尼比即为有消能器模型的总阻尼比，扣除结构的固有阻尼比，即可得到消能器附加给结构的有效阻尼比。

23、采用现有三种附加阻尼比计算方法，均需根据消能器布置方案建立对应的减震分析模型，并按规范要求选择地震波进行动力时程分析，提取分析数据计算该布置方案下消能器产生的附加阻尼比，均为后验型计算方法。三种方案计算流程复杂，步骤繁琐，数据量大，效率较低，而且计算结果与选择的地震波相关性极强。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中所存在的传统的附加阻尼比计算方法效率低下且具有不确定性的问题，提供一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法。

2、在第一方面，

3、本发明提供一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法，包括以下步骤：

4、s1：建立结构非减震模型，进行设防水准下的规定水平力工况计算；提取框架节点位移结果，按下式计算结构各层各跨初始变形[δ0]；

5、δ0＝δs+|θe+θf|×hzd

6、

7、式中，u、θ分别为节点水平位移和转角位移，hzd为消能器上、下支墩的高度，a、b、c、d分别为该跨设置消能器对应的四个框架节点编号，δs为消能器层间水平位移差，θe、θf分别为拟设消能器上支墩和下支墩对应位置框架梁转角；

8、根据消能器布置方案，用“1”表示该跨设置消能器，用“0”表示该跨未设置消能器，形成[sign]矩阵，初始化消能器反力引起的变形[δf]＝[0]，[δ0]、[δf]和[sign]均为三维矩阵，矩阵维度为轴号数×层数×跨数，初始附加阻尼比为

9、s2：计算消能器反力引起的变形[δf]；

10、根据几何关系和消能器力学本构，对位移型消能器，按下式计算消能器反力引起的变形：

11、

12、式中，为第k轴线第i层第j跨拟设消能器位置的初始变形，为第k轴线第i层第j跨消能器反力f引起的变形，k2为消能器屈服后刚度，δy为屈服位移，fy为屈服力，hzd，i为第i层消能器支墩高度，为第k轴线第i层第j跨框架梁b线刚度，为第k轴线第i-1层第j跨消能器反力f引起的框架梁支墩位置转角，fk，i+1，j为第k轴线第i+1层第j跨消能器最大出力；

13、对速度型消能器根据以下方程，采用迭代法求解；

14、

15、式中，为第k轴线第i层第j跨拟设消能器位置的初始变形，为第k轴线第i层第j跨消能器反力f引起的变形，ω为计算方向结构第一频率，β为计算黏滞消能器最大出力的修正系数，c为黏滞消能器阻尼系数，α为黏滞消能器速度指数，hzd，i为第i层消能器支墩高度，fk，i+1，j为第k轴线第i+1层第j跨消能器最大出力，为第k轴线第i层第j跨框架梁b线刚度，为第k轴线第i-1层第j跨消能器反力f引起的框架梁支墩位置转角；

16、s3：考虑附加阻尼比修正；

17、计算消能器耗能和结构总应变能，得到给定消能器布置方案下的附加阻尼比ξa；

18、楼层剪力[f]、层间位移[u]和消能器初始变形[δ0]均由非减震模型计算结果乘以结构响应折减系数η得到；

19、更新[δ0]、[f]、[u]，重复步骤s2～步骤s3，直到附加阻尼比误差小于预设的误差收敛值，表示迭代一次的计算附加阻尼比，完成计算，输出带支墩型消能器的结构附加阻尼比。

20、优选地，所述s1中θe、θf由下列公式计算得到：

21、假定支墩所在位置e点距离端部为xl，转角为θe，支墩位置处弯矩为mx，根据梁的转角位移方程，有：

22、ma＝4iθa+2iθb-6iδv/l

23、mb＝4iθb+2iθa-6iδv/l

24、mx＝ma-x(ma+mb)

25、式中，i为考虑楼板刚度作用的梁线刚度，δv＝va-vb，δv为梁两端竖向位移差，l为梁跨度，θa、θb分别为端部转角位移，ma、mb分别为端部弯矩；

26、则根据梁的挠曲线方程积分得到θe；

27、

28、式中，ei为抗弯刚度；

29、梁中任一点的转角值为与端部距离xl的二次函数，转角最大位置即为反弯点处，此时有：

30、

31、最大转角为

32、优选地，对于一般框架梁，反弯点可按跨中简化处理，取x＝1/2，则跨中转角见下式

33、θe,x＝1/2＝-(θa+θx-6δv/l)/4

34、θf,x＝1/2-(θc+θd-6δv/l)/4

35、式中，负值表示支墩转动方向与节点转动方向相反。

36、优选地，所述s2中，求解依赖于邻层联立方程组求解。

37、优选地，所述s2中，将初始化为零，将非i层j跨的变形作为已知量，求解唯一未知量

38、优选地，所述s3中，对于位移型消能器给定消能器布置方案下的附加阻尼比ξa的计算方法为：

39、

40、式中，fi，j为第i层j跨消能器最大出力，为第i层j跨布置的消能器在预期变形δi，j下往复循环一周所消耗的能量；

41、ws＝(1/2)∑fiui

42、

43、式中，ws为计算结构在地震作用下的总应变能，ξa为消能器附加阻尼比，fi为第i层楼层剪力，ui为第i层层间位移。

44、优选地，所述s3中，对于速度型消能器给定消能器布置方案下的附加阻尼比ξa的计算方法为：

45、

46、式中，为第i层j跨消能器最大出力，为第i层j跨布置的消能器在预期变形δi，j下往复循环一周所消耗的能量，λ1为与阻尼指数有关的函数；

47、ws＝(1/2)∑fiui

48、

49、式中，ws为计算结构在地震作用下的总应变能，ξa为消能器附加阻尼比，fi为第i层楼层剪力，ui为第i层层间位移。

50、优选地，所述s3中，结构响应折减系数η的表达式为：

51、

52、式中，ξa为附加阻尼比，t为结构在布置消能器方向的第一阶周期，tg为特征周期。

53、优选地，所述s3中，预设的误差收敛值小于或等于0.01％。

54、在第二方面，

55、本发明提供一种带支墩型消能器结构，采用任一所述的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法确定消能器产生的结构附加阻尼比。

56、在第三方面，

57、本发明提供一种计算设备，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，所述指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行任一所述的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法。

58、在第四方面，

59、本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现任一所述的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法。

60、与现有技术相比，本发明的有益效果：

61、1.本发明提供的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法，通过将消能器在地震作用下的变形分解为无消能器时的初始变形和考虑消能器反力引起的间接变形，可以根据非减震模型的分析结果计算得到给定消能器布置方案下的消能器实际变形，从而计算得到该布置方案消能器产生的附加阻尼比。

62、2.本发明提供的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法，无需根据消能器布置方案建立减震分析模型，也不用选择地震波进行动力时程分析，根据拟选用的消能器参数，即可快速计算出消能器布置方案对应的附加阻尼比，计算结果具有确定性，操作性强，易于推广，提高了采用带支墩型消能器的减震结构设计效率，可作为一种由静力工况计算支墩型消能器产生附加阻尼比的替代方法。

技术特征：

1.一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法，其特征在于，所述s1中θe、θf由下列公式计算得到：

3.根据权利要求1所述的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法，其特征在于，所述s2中，求解依赖于邻层联立方程组求解。

4.根据权利要求1所述的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法，其特征在于，所述s2中，将初始化为零，将非i层j跨的变形作为已知量，求解唯一未知量

5.根据权利要求1所述的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法，其特征在于，所述s3中，对于位移型消能器给定消能器布置方案下的附加阻尼比ξa的计算方法为：

6.根据权利要求1所述的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法，其特征在于，所述s3中，对于速度型消能器给定消能器布置方案下的附加阻尼比ζa的计算方法为：

7.根据权利要求1所述的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法，其特征在于，所述s3中，结构响应折减系数η的表达式为：

8.一种带支墩型消能器结构，其特征在于，采用权利要求1-7任一所述的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法确定消能器产生的结构附加阻尼比。

9.一种计算设备，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，所述指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行权利要求1-7任一所述的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一所述的一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法。

技术总结
本发明涉及建筑工程中的结构设计领域，具体涉及一种带支墩型消能器的结构附加阻尼比快速计算方法，包括以下步骤：S1：建立结构非减震模型，进行设防水准下的规定水平力工况计算；提取框架节点位移结果，计算结构各层各跨初始变形[δ<supgt;0</supgt;]；根据消能器布置方案，用“1”表示该跨设置消能器，用“0”表示该跨未设置消能器，形成[sign]矩阵；S2：计算消能器反力引起的变形[δ<supgt;F</supgt;]；S3：计算消能器耗能和结构总应变能，得到给定消能器布置方案下的附加阻尼比楼层剪力[F]、层间位移[u]和消能器初始变形[δ<supgt;0</supgt;]均由非减震模型计算结果乘以结构响应折减系数η得到；更新[δ<supgt;0</supgt;]、[F]、[u]，重复步骤S2～步骤S3，直到附加阻尼比误差小于预设的误差收敛值，完成计算，输出带支墩型消能器的结构附加阻尼比。

技术研发人员：秦攀,刘宜丰,彭志桢,吴小宾
受保护的技术使用者：中国建筑西南设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23