基于SAP2000的钢框架减震控制分析.pdf

1、基于SAP2000的钢框架减震控制分析渠延模1,周国宝2,陈兴林1(11 江苏省建筑工程质量检测中心有限公司,南京 210028;21 江苏科技大学土木与建筑工程学院,江苏 镇江 212003)【摘 要】运用大型通用有限元软件SAP2000进行建模,对一五层结构设置粘弹性阻尼器,对三种结构的抗震性能进行对比研究,分析了结构在地震作用下的变形和响应情况等。希望研究成果对类似工程有一定的借鉴性,从而推进钢结构的产业化发展。【关键词】房屋钢结构;地震反应;非线性时程分析;粘弹性阻尼器【中图分类号】TU31113【文献标识码】B【文章编号】1001-6864(2009)11-0062-031 工程概况

2、某市欲兴建五层商贸综合楼,一、二层为商场,一层高416m,二层高511m,三至五层为商务写字楼,层高319m。建筑面积为4200m2,拟建房屋所在地的设计资料如下:抗震烈度为8度,设计分组为第一组,类场地,基本雪压S0=0.3kNm2,基本风压 0=0.35kNm2,地面粗糙度B类。2 有限元模型211 结构的计算模型与基本参数多层和高层结构的弹塑性动力分析的力学模型主要分为层间模型和杆系模型两大类。结构的计算模型采用层间剪切模型,将各层质量集中在各楼层,整个结构作为一串连多自由度悬臂体系,其基本假设为:(1)楼板在自身平面内的刚度为无限大,在抗震缝区段内每层各竖向构件的顶部没有相对变形。(2

3、)房屋刚度中心与质量中心重合,在水平地震作用下结构不产生扭转。212 粘弹性阻尼器的计算模型粘弹性阻尼器由粘弹性材料和约束钢板组成。常用的粘弹性阻尼器如图1所示,中间的粘弹性材料是一种高分子聚合物,既具有弹性又具有粘性,同时具备弹簧和流体的性质。其性能常用储能刚度K、损耗因子和每圈耗能Ed来表示1,其计算表达式为:K=GAt(1)=G G(2)Ed=n 20GAt(3)式中,G 为VEM的剪切储存模量;G 为VEM的剪切损耗模量;A为VEM层的剪切面积;t为VEM层每层的厚度;n为VEM的层数;0为VEM的剪切应变幅值。文中所用的阻尼器模型是基于Maxwell粘弹性阻尼模型(Malvern,1

4、969),采用非线性阻尼器与线性弹簧串联的计算模型,其非线性力与轴向变形的关系如下式所示:f=Kdk=Cdrc(4)式中,K为线性弹簧刚度系数,C为阻尼系数,dc为阻尼器变形速率,为阻尼器的阻尼指数(其值必须为正,实用值可在012210范围内进行调整)。阻尼器单元的变形总量为:dall=dk+dc(5)式中,dk为线性弹簧的变形量,dc为阻尼器的变形量,在式(5)中,当k值较周边结构刚度大时,阻尼器单元为纯阻尼作用,相当于粘弹性阻尼器,dk可以忽略不计。213 三种结构的有限元模型由建筑平立面规则,结构刚度、质量分布均匀。因而模型取建筑短方向一榀横向框架进行抗震性能研究,简化为一平面杆系模型,

5、从而大大简化了计算,很好地反映真实结构的抗震性能。建模时选用平面框架单元(Portal Frame);梁、柱、支撑斜杆 均 选 用 框 架(Frame)单元;阻尼器选用连接(Link)单元中阻尼器(Damper)。梁、柱节点为刚性连接,支撑两端为铰接,阻尼器与梁、柱的连接按铰接考虑。柱子与基础为固接。3 结构的自振特性及其地震波选择311 结构的模态分析结构固有振动特性主要包括自振周期、振型等。26低 温 建 筑 技 术2009年第11期(总第137期)表1三种结构的自振周期sT1T2T3T4T5T6普通框架结构(MRF)11333 01377 01203 01131 01122 01092支

6、撑-框架结构(BMRF)01977 01291 01165 01132 01111 01103耗能减震支撑结构(EDBF)01997 01300 01170 01114 01104 01091结构的低阶振型起到控制作用,对位移和内力贡献较大,因此,文中列出6阶振型,忽略高阶振型的影响。从表1可知,传统的钢框架结构基本周期T1为11333s,结构属于柔性结构,中心支撑钢框架结构较纯钢框架增加较多,中心支撑钢框架加阻尼器结构体系较中心支撑钢框架变化不大,可见阻尼器对结构的刚度贡献不大。根据周期信息来了解结构的前三个周期分别为:11333、01377、01203s,再根据以上的质量参与系数状态来判断

7、前三个周期的平扭属性,由于分析的是平面框架,结构的有效自由度为UX、UZ、RY。对于结构的前三个周期,从质量参与系数UX、UZ和RY看来,前三个振型都为单纯的沿x方向的平动振型。表2框架结构质量参与系数输出结果振型序号周期值sUXUY UZ SumUXSumUYSumUZ RXRYRZ111333 0187673 00 018767300001603270000201377 0108472 00 019614500001002770000301203 0103342 00 019948700001001720000401131 0100482 00 0199970000010000831305

8、0112211396E-0700 01999700000102603000060109211953E-500 019997100001070350000312 地震波的选择当采用时程分析法计算结构的地震反应时,输入地震波不应少于4条,且每条波之间的特性应有一定的差别。应尽量准确地反映建筑物发生地震时的情况,最好能够采用本地区的地震记录。在选择地震波时,主要考虑三个因素:地面运动的频谱特性、地面加速度峰值、强震持续时间。4 多遇和罕遇地震作用下结构的响应非线性弹塑性时程分析时,时间子步为011s,共200步,分析结果取较为典型的数据进行分析比较。限于篇幅,下面只列出三种结构在EI-Centro波

9、作用下的地震反应。36渠延模等:基于SAP2000钢框架减震控制分析411 多遇地震作用下结构的反应特性412 罕遇地震作用下结构的反应特性413 多遇和罕遇地震作用下结构的层间位移比较图3图6显示了框架结构、支撑-框架结构和设置阻尼器的消能减震结构的顶层顶点和底层顶点的位移和加速度反应。由图可见,消能减震结构的动力响应明显减少,其原因在于粘弹性阻尼器提供了较大的附加阻尼和刚度。经计算表明,支撑框架结构在地震波作用下顶层位移和加速度响应分别减少了65%和30%左右,而加设了粘弹性阻尼器的消能减震结构在地震作用下的顶层位移和加速度响应分别减少了85%和55%左右,减震效果良好。5 结语文中主要对

10、现有的两种结构中设置粘弹性阻尼器,并通过数值算例分析了支撑结构和设置粘弹性阻尼器的消能支撑结构的抗震性能。仿真表明:SAP2000有限元软件能为复杂大型钢结构的抗震性能分析提供高效、可靠的计算平台。粘弹性阻尼器可以很好的控制框架结构、支撑框架结构的振动响应,而且其控制效果良好,保护整个结构的安全,还可以减小构件的截面,从而减少用钢量,进一步推动钢结构的产业化进程。参考文献1 徐赵东,周云,赵鸿铁 1 粘弹性阻尼结构的优化设计方法J 1西安建筑科技大学学报,1999,31(3):246-24812 陈富生,邱国桦,范重 1 高层建筑钢结构设计M1 北京:中国建筑工业出版社,200013 中国建筑工业出版社1 一、二级注册结构工程师必备规范汇编M1 北京:中国建筑工业出版社,20061收稿日期2009-09-07作者简介 渠延模(1982-),男,山西大同人,助理工程师,从事结构工程研究工作。(编辑 王亚清)46低 温 建 筑 技 术2009年第11期(总第137期)