文摘
近场地面运动过程(NPGMs)的特点是与大型高能脉冲峰值地面速度和加速度,需要进一步的研究来确认是否与粘滞阻尼器结构(VDs)仍然是适用的和有效的为这种类型的地面运动。在这篇文章中,结构的减振性能与VDs公司在近场地震调查系统。单自由度的位移和加速度谱开发(应用)结构没有VDs公司,虽然这些影响因素,如结构的非线性特性、阻尼器支持的灵活性,和阻尼参数被认为是。此外,NPGM的频域特性和能量分布multidegree-of-freedom VDs(参数)结构进行了讨论,进一步揭示NPGM对结构的作用机理。表明VDs结构显示了显著的减少地震效应的作用下由于地震过程,而最大interstorey漂移降低了从0.086到0.037时配备VDs公司结构。然而,结构可能仍然难以完全消散地震所产生的高能脉冲高脉冲在短时间内,从而导致结构破坏甚至倒塌。
1。介绍
近年来,大量的被动耗能设备,如粘弹性阻尼器、金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器,和液体粘滞阻尼器(1),已被广泛应用于结构来增强他们的能量耗散能力,从而降低结构的地震响应在普通地面运动明显(2,3]。在这些设备中,液体粘滞阻尼器由于其宽的频带更为普遍的振动衰减(4)、低成本和易于维护。然而,在最近的大地震(1994年北岭,装腔作势的1999)5- - - - - -7),一种近场地面运动过程(NPGM)被发现。它的特点是与大型高能脉冲峰值地面速度和加速度,从而导致更严重的损伤结构比普通地面运动,和许多研究文献研究8- - - - - -12已经证实这种不利影响。因此,是否与粘滞阻尼器结构(VDs)仍然是适用的和有效的特殊类型的地面运动需要进一步研究。
必须认识到,强烈的地震,大多数结构采用VDs公司将经历一定程度的非弹性响应(13),这可能会导致在基底剪力显著增加;因此,非线性结构地震反应的影响应该被考虑。库马尔(14]研究了多层的结构的抗震性能加强与非线性粘滞阻尼器。居尔和Alhan15]相比base-isolated液体储罐的抗震性能有/没有附加阻尼。Yaghmaei-Sabegh et al。16)提出了一种修改直接法来估计结构的地震反应装备VDs公司在近场pulse-like地面运动。徐et al。17VDs]调查应用的性能结构受到NPGM,结论表明,结构位移时可以显著减少的比例结构,激发时间在一定范围内。易et al。18]提出使用负刚度装置结合种桥和调查由于地震下桥的地震反应。结果表明,桥的甲板加速度和位移可以减少。
本文扩展了裁判。17),其重点是结构的减振性能与VDs公司在近场地震,这些影响因素如结构的非线性特征,阻尼器支持的灵活性,和阻尼参数被认为是。状态方程表示用于描述VDs公司的结构,和结构的地震响应四组NPGM具有不同脉冲周期计算和比较。此外,耗散结构的能量分布和NPGM受聘的频域特征,进一步揭示NPGM对结构的作用机理。
2。VDs公司的整数阶模型的结构
2.1。应用
一个应用结构VDs公司呈现在图1(一),补充VD与结构通过一个线性弹性支持撑,和麦克斯韦模型用于描述其力学行为。它是由一个纯粹的粘滞阻尼器阻尼系数和一个纯粹的弹性弹簧刚度 。数据1 (b)和1 (c)粘滞阻尼器的原型。
(一)
(b)
(c)
应用结构动力学方程的VDs公司受到地面运动可以通过以下方程描述:
在哪里 , ,和结构质量、固有阻尼系数和横向刚度,分别;和 , ,和代表的反应位移、速度和加速度,分别。请注意,由两部分组成:位移VD和支撑支架的弹性变形。在接下来的指数VD控制阻尼器的非线性及其典型值在0.2 - 1 (3,19- - - - - -21地震应用程序:
在本文中,的影响0.3 - 1的范围内对结构的减振性能进行了讨论。
假设支撑刚度横向刚度成正比吗的结构和阻尼系数阻尼成正比吗的结构22),可以分别定义为两个无量纲参数
因此,和可以取代上述方程(23),以及由此产生的方程是除以米获得以下: 在哪里 和 的圆频率和阻尼比结构,分别。为方便计算结构的地震响应,状态方程表示已经被用于转换二阶微分方程(4)和(5)一阶微分方程和结构位移;选择速度和VD的位移作为状态变量,所示以下方程: 在哪里是一个列向量方程; , ,和分别是补充与常数矩阵的元素,可以写成
注意,所有变化的变量 ,它以高速度随时间,方程(5)包含一系列的方程;因此,选择装备的落后的数值微分算法来解决方程。
然而,当结构进入弹塑性状态下强烈地震,刚度退化的影响应考虑结构的地震响应,因此,常用的双线性弹塑性模型(图2)已经被用来描述结构的非线性特征。现在方程(1VDs公司)的应用结构,可以写成
与此同时,减少强度的因素和延性系数被定义为 在哪里是最大的弹性力的比例收益率的力量的结构,结构最大弹性加速度,屈服力可以表示为 ; 最大非弹性位移的比例吗的屈服位移的结构,是弹塑性恢复力。为了获得结构的非弹性地震反应条件下平等的力量或平等的延性,在方程(8由方程()可以被替换9);因此,被定义为一个新的方程
基于方程(10)和(2),结构的非弹性地震反应时可以用状态方程的方法获得的是确定的。
2.2。参数
对于一个n层结构配备VDs公司在每一层,双线性弹塑性模型被用来描述循环行为的特点在每一层结构的同时,及其动力学方程可以表示为 在哪里和是 结构质量和阻尼矩阵;是 结构位移向量;是 弹塑性恢复力向量;和是一个 统一向量;是 向量的阻尼力。现在的整数阶已经用来转换方程(11)为一个数组的一阶常微分方程,如所示 的状态变量是一个 包含结构位移向量 ,速度 ,和弹塑性位移组件 ;的矩阵 ,和辅助转换矩阵,可以确定如下: 在哪里和是 分别为结构弹性刚度和塑性刚度矩阵;和是 分别为零矩阵和矩阵统一;是一个 代表的塑料滞回特征向量结构;的阻尼力吗我th层,它可以写成
结合方程(12)和(14)和使用设备的落后的数值微分算法来解决方程,参数结构的非弹性地震反应VDs公司在强烈的地震。
3所示。选择NPGM
基于近场地震地区的区划方法提出的明(24),近场地面运动的走滑断层机制与大小大于5.5选择从太平洋地震工程研究中心(同行)。然后,一个脉冲指标提出了贝克(25),用来确认是否pulse-like给定的记录。所示的方程(15)的值在0和1之间,价值更高,表明pulse-like记录,并记录可分为脉冲时大于0.85。给出比率的值是残余的地面峰值速度(震动)除以原始记录的震动,和能量比的值是残余的能量除以原始记录的能源(25]:
最后,24过程地面运动已经挑出基于上述方法和分成四组(G1∼G4)依照其脉冲周期 。四组可以定义如下:当 ,地面运动被列为G1组;当 ,地面运动被列为G2组;当 ,地面运动被列为G3组;当 ,地面运动被归类为G4集团,如表所示1。
4所示。影响因素的分析和减振性能
4.1。分析影响因素
以下4.4.1。VD的参数的影响
很明显,结构的地震响应直接与的值不同 ,和根据方程(4),(5)和(8)。因此,在进一步研究整个结构的减振性能,我们应该理解这些参数对地震响应的影响的详细结构。为了阐明其影响的特点,现在没有记录。n1114选择从1995年日本神户地震获得激发,和一个弹性应用结构的地震响应VDs公司(等)及其相应的控制结构(科大)计算。
数据3(一个)和3 (b)显示曲线的位移比科大的要领与参数不同 和对不同结构时期( 和 ,这代表了短时间内结构和长周期结构,分别),和数字吗3 (c)和3 (d)加速度的变化曲线显示比例相应的结构上面提到的。在这里,和的最大弹性位移反应等,科大,分别。和的最大弹性加速度响应等,科大,分别。这是观察到的数据3(一个)和3 (b)那随的增加而减小 当= 2,这表明了要领的减振效果可以通过增加价值的提高 在一定范围和效果可以保持稳定 超出范围。此外,它可以发现,减振效果会更重要的指数VD更小和结构是短的。然而,随着从0.6增长到2.0年代(对应的圆频率从10.47下降到3.14),影响的差异与不同的值的减振效果等逐渐减少。当= 2.0秒,效果基本上是相同的,无论什么价值需要在0.3到-1.0之间。它可以清楚地发现,结构的加速度响应也类似的变化规律,如图3 (c)和3 (d)。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
此外,数据3 (e)和3 (f)显示相应的位移与VD的比率等。它也可以观察到的比率 随的变化 和 。对于一个阻尼较小的指数 ,更大的价值 当位移是必要的的阻尼变得接近结构的位移,即 。0。但随着时间的增加 ,的影响的最小值 ,不断的比例 常数,逐渐削弱。
基于上述分析,建议的最低范围 ,它可以帮助充分利用阻尼器的能量耗散能力,为不同的值是3至6的和时间的结构。即的最小值 不应小于6什么时候= 0.3, 不应少于3什么时候= 1.0,可以充分利用阻尼器的耗能能力。当在0.3和1.0之间, 可以由线性插值。曾经的价值 的最小值确定吗也可以根据结构决定的时期和系数VD。
此外,为了进一步说明的影响的减振效果等,数据4(一)和4 (b)显示曲线的位移比科大的要领与参数不同 和当自然振动周期等于0。2.0年代的结构。数据4 (c)和4 (d)显示加速度的曲线比上面提到的相应的结构。数据4 (e)和4 (f)显示相应的位移的曲线与VD的比率等。它可以观察到从数据4(一)- - - - - -4 (d)那和减少明显的增加 ,这表明结构的位移和加速度的减振效果是显著的,和的比率 有相似的变化趋势和影响较小的不同的值和 ,如数据所示4 (e)和4 (f)。除此之外,它必须指出,阻尼器的耗能能力是否可以充分利用主要取决于参数 ,这是相对稳定和无量纲。它是观察到的线性VD (= 1.0)可以充分利用,几乎不受阻尼系数的影响和其他影响因素时 = 3;而对于非线性VD ( ),的最小值 受参数影响吗和 。也就是说,一个较小的指数和更高的系数通常需要一个更大的价值 ,这有助于充分利用阻尼器的耗能能力。不过,当 = 6,非线性VD ( )基本上可以充分利用,这表明的范围 3至6适用于指数的变化在0.3到-1.0之间。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
4.1.2。其他因素的影响
此外,众所周知,地面运动具有很大的不确定性;因此,不同的地面运动有被选为VDs荷载和结构的地震反应计算,根据上述方法相比。它可以发现这些参数对结构的影响在不同的地面运动类似于上述分析的结论,可以用来证明上面提到的一般规则的影响。然而,它应该意识到结构的阻尼器在不同的地面运动的要求是不同的,有时,阻尼器的数量过多,结构由于受到一些地面运动,可能导致放大结构的加速度响应虽然可以降低结构的位移响应,如图5(一个)和5 (b)。结果证实,一个可选的阻尼需要平衡结构位移的减少和增加总量的加速度(14]。
(一)
(b)
(c)
同时,刚度退化的影响结构地震反应的影响是,和一个应用结构的位移响应谱SD VDs公司有和没有比较如图5 (c)。它可以观察到,控制结构的非弹性位移显示一定程度的离散性相对于弹性位移,当结构进入弹塑性状态;然而,配备VDs公司时,结构的位移显示没有明显的弹性和弹塑性状态的变化。结果表明,阻尼器可以有效地抑制离散变形引起的刚度退化的不利影响,当结构进入弹塑性状态。
4.2。分析过程的光谱
现在这些参数 , 4, 确定在上述结论的基础上,已被用于计算一个弹性应用光谱结构VDs公司(等)和一个弹塑性应用结构(R= 4)VDs公司(PTD)结构受到NGPM,表所示1;与此同时,一个不受控制的应用结构的光谱(科大)也作为对比,和-10年代的光谱范围的0.1图所示6。此外,两个无量纲位移系数(和 )和两个无量纲加速度系数(和 )被定义为 在哪里 , ,和是科大的光谱位移、要领和输配电,分别; , ,和是相应的谱加速度。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
这是观察到的数据6(一)和6 (d)SD增加而增加 ,和峰值位移响应时发生 。与此同时,SA的衰减速度减慢的增加 。然而,当结构配备VDs公司,一个完全不同的减振的影响等提出了不同时期范围,如图6 (b)和6 (e)。地面运动的G1组SD时显著的减振效果0.1和2.0年代之间,但一旦超出这个范围,位移等不会显著降低甚至放大。此外,要领也放大时的加速度响应超过1.0秒,这表明只有在一定范围内的时期的能量耗散能力阻尼器可以有效地利用结构受到NPGM时脉冲时间小于1.0秒。地面运动的G2∼G4组,SD和SA随着的增加而增加 ,这可能会导致需求的增加阻尼器在同一时间,使阻尼器可以有效地利用更广泛的时期。输配电显示没有明显变化的位移响应相对于的要领,当结构进入弹塑性状态,但其相应的结构加速度响应略有降低,如图6 (c)和6 (f)的不利影响,这表明地震响应的刚度退化结构时可以显著减少输配电装备VDs公司。此外,也可以获得类似的结果不同和值,R2 - 8的范围的变化。
图7显示了块的归一化光谱SD和SA时期比的函数 要领和输配电(R= 4)受到NPGM。数据7(一)和7 (b)显示和分别归一化位移谱要领和输配电。这是观察到的数据7(一)和7 (b)位移的减少并不明显 ,为输配电甚至放大,可以获得相对较高的还原 。然而,要领的位移响应和输配电显示时伟大的不连续性 。
(一)
(b)
(c)
(d)
数据7 (c)和7 (d)显示和归一化加速度谱要领和输配电(R= 4),分别。这是观察到的数据7 (c)和7 (d)减少加速度的特点是相似的;也就是说,在加速度不明显减少 ,和大部分加速度反应放大。然而,可以获得更大的减少 ,是放大的弹性和弹塑性结构时 。
4.3。能量响应过程激发的
调查的能量分布特征VDs公司结构,当它受到NPGM能量平衡的方法被用来分析结构的累积能量响应。累积的能量反应方程的结构(8可以通过集成)(8用位移增量)作为 其中每个积分表达式表示的累积能量从0到t时间。第一和第二项左边的方程(17)代表动能和固有阻尼能量 ,分别,第三项是应变能,其中包括弹性应变能和塑性应变能量 。第四项左边的方程(17VD)损耗的能量,它可以计算的
总地震输入能量右侧的方程(17)可以写成
图8显示累计能量响应的对比图,其中包括地震输入,动能,固有阻尼,应变和耗散能量的不受控制的应用结构和结构VDs公司受到脉冲激励。它是观察从图8(一个)不受控制的结构,地面运动是耗散地震输入的能量主要由塑性应变能量和固有阻尼能量一旦结构进入弹塑性状态,这表明它可能会严重损坏。而对于VDs公司的结构,总输入能量耗散主要由磁滞的能量VD如图8 (b),塑性应变能量总输入能量的比例显著降低。
(一)
(b)
图9显示了块最大地震输入能量的函数 结构受到一些脉冲激。在图9,代表的比例最大地震输入能量VDs的结构和控制结构。它是观察从图9(一个)输入峰值能量发生在不受控制的结构 。
(一)
(b)
当配备VDs公司结构,一个更小的值在的范围 可以发现,这意味着减少最重要的地震输入能量时 ,虽然结构与VD的输入能量放大 ,如图是哪一个9 (b)。这可以用来解释为什么VDs公司的结构的地震响应数据7 (b)和7 (d)不降低甚至放大什么时候 。
5。数值例子
为了进一步揭示由于地面运动的作用机理与VDs公司的结构,特点twelve-storey钢框架,如图10,其抗震性能遇到了中国设计规范的要求(GB50011)。底层层高= 4.0米,其余的是3.6米,钢号Q355和所有的材料标准。列由标准框部分,梁由标准中间法兰(HM)和窄凸缘屏蔽屏蔽部分章节(HN),并给出了更详细的信息表2。框架受到统一的地板静负荷4.7 kN / m2在每一层。楼面活荷载为4.0 kN / m2第一到第六层和2.0 kN / m2第七个12层。此外,双线性弹塑性模型被用来描述结构的非线性行为的特点,以及postyielding刚度弹性结构的刚度比是0.02。
压缩弹性刚度矩阵和塑料刚度矩阵的结构可以表示为
5.1。参数结构的模态分析
调查这个框架的动态特性,前三模式结构的形状X方向呈现在图11当结构进入不同状态:弹性结构在图(11日)与产量、弹塑性结构第一层图11 (b)、弹塑性结构产生的第一个第三层图11 (c)和弹塑性结构与产量第一到第六层图11 (d)。它是观察从图(11日)的模态参与质量比前三个模式形状是超过90%,这表明三种模式的响应贡献足以获得结构响应的精确值。当第一层框架的收益率,第一振型的特点是平移运动,如图11 (b)。此外,模式的振幅形状主要分为层时产生层产量逐渐从下到上的结构,如图11 (c)和11 (d)。综上所述,可以得出结论,当结构进入弹塑性状态,其动态特性是非常不同于其相应的弹性结构,及其位移的层处于弹性状态明显减少将对其他层处于弹塑性状态。
(一)
(b)
(c)
(d)
5.2。地震响应及其特点
在本节中,显示NPGM对框架的影响,采用非线性时程分析评价过程荷载下结构的性能X方向。地面运动的结构是兴奋表所示1,峰值地面加速度(PGA)按比例缩小到0.4 g的PGA在大地震的强度,和结果如图所示12。
(一)
(b)
图12显示的情节interstorey漂移和加速度的结构。它是观察从图12(一个)interstorey漂在NPGM的范围X方向是大型和他们中的大多数超过中国代码限制,但这一趋势的变化基本上是相似的。此外,它可以找到相应的平均interstorey飘G1∼G4组结构interstorey飘在G1组很小,虽然逐渐增加,超过1/50的代码限制在G2∼G4组与脉冲的上升时间。表明,这种地面运动有一个很大的脉冲周期结构,会导致严重的损坏和损失主要集中在中下游的层结构。与此同时,它可以发现结构平均加速度下相应的G1∼G4组相似,如图12 (b),这意味着PGA不是一个好强度指标量化过程的破坏潜力地面运动虽然会影响结构地震反应。
为了研究结构的减振性能与VDs公司地面运动过程,提出了阻尼器的数量和配置表3基于上述分析和非线性时程分析的结果在图所示13。
(一)
(b)
数据(13日)和13 (b)现在钢框架的最大地震反应的比较有和没有VDs公司。它可以发现最大interstorey漂移和最大绝对加速度时显著降低结构配备VDs公司,在任何过程激励和响应不放大,这是完全不同的弹塑性响应特性的应用结构。然而,一些故事的最大interstorey飘仍然超过限制在某些过程励磁的代码。这个结果意味着可以显著提高结构的抗震性能通过应用VDs公司,但其对阻尼器的需求是巨大的,和结构仍有局部破坏的风险,甚至在某些过程励磁的整体崩溃。现在,没有记录。n180获得1979年帝王谷地震为例进行详细分析。
的最大interstorey漂移失控过程激励下结构记录n180是0.0859,它发生在第四层,虽然减少了从0.086到0.037时配备VDs公司结构。数据(14日)和14 (b)显示的时间历史的情节在第四层位移和加速度。可以看出位移和加速度的反应时显著降低结构配备VDs公司,但它仍然出现永久变形。结果的主要原因是记录在一个相对狭窄的主要能源和低频带,和大多数的故事结构下逐渐产生一定强度的记录,从而导致一个明显的减少主要结构固有频率。当主要结构固有频率接近的频段的主要精力集中在记录,这可能会引起结构共振和严重损坏。如在图(15日),当结构第二至第五层楼了,第二个固有频率的结构是在峰值的频带能量记录。然而,主要自然频率改变时配备VDs公司的参数结构,如图15 (b),它可以帮助缓解这些不利影响。
(一)
(b)
(一)
(b)
图16显示的时间历史情节能源VDs公司的钢框架,同时,结合结构的变形特性图(14日);它可以发现的地震输入能量n180大幅增加的范围6.0 - -8.0 s,并很难阻尼高瞬时输入能量消散在短时间内生成的记录。阻尼器的能量耗散率的增加速度明显落后于地震输入的能量,导致塑性应变的增加能量的结构。这一特点与应用VDs结构如图8 (b)的特点,它表明,作用机理和参数结构的地震响应是完全不同于VDs公司的应用结构。
6。结论
在本文中,结构的减振性能与粘滞阻尼器在近场地面运动过程检查通过反应谱和能量平衡分析,和各种因素的影响,如VD的参数,非线性参数的结构,和地面运动的特点,被认为是。地震反应的特点和能源应用耗散结构与参数结构相比,已被用来进一步揭示过程的地面运动的作用机理与VDs公司结构。本研究的主要结论如下:(1)的参数 显著影响结构的减振性能。建议的最小值 不应小于6什么时候= 0.3, 不应少于3什么时候= 1.0。(2)VDs的参数结构将进入弹塑性状态下的大部分过程地面运动,及其主要固有频率不断变化,这使其应用的动态表演比这更复杂的结构。的特点,应用结构的减振与VDs公司过程可能并不适用于地面运动参数结构由于其更复杂的动态行为。(3)粘性阻尼器可以显著降低结构的地震响应过程的地面运动下,但所需的VDs公司的数量是巨大的,结构与VDs公司可能仍然难以完全消散的瞬时输入能量在短时间内受到过程地面运动时具有高脉冲周期。通常情况下,它可以导致结构破坏甚至倒塌在一个时刻的能量耗散率阻尼的增加速度明显落后于地震输入的能量记录。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突或人际关系可能出现影响本文中报告的工作。