本發(fā)明涉及一種運用顆粒阻尼技術提升結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的優(yōu)化設計方法，屬于土木工程結(jié)構(gòu)防倒塌設計領域。
背景技術：
：結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌是指由于突發(fā)事件或嚴重超載導致結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞，這種破壞從結(jié)構(gòu)初始位置沿構(gòu)件傳遞，最終導致整個結(jié)構(gòu)倒塌或?qū)е孪鄬τ诔跏季植科茐牟怀杀壤母蠓秶钠茐?。自?968年英國RonanPointApartmentTower發(fā)生倒塌，工程師逐漸開始重視由于建筑局部失效構(gòu)件引起的連續(xù)倒塌現(xiàn)象。從上世紀90年代以來，基于性能的建筑抗震設計成為結(jié)構(gòu)抗震研究的主要方向之一，而在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設計中抗倒塌能力是基于性能設計的核心目標。結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生倒塌，將造成嚴重的生命及財產(chǎn)損失，因此結(jié)構(gòu)抗倒塌能力是結(jié)構(gòu)設計中至關重要的一環(huán)。拆除構(gòu)件設計法是一種傳統(tǒng)的抗倒塌實用設計方法，即將結(jié)構(gòu)中的部分構(gòu)件拆除，模擬結(jié)構(gòu)的初始破壞，通過有限元法分析結(jié)構(gòu)中部分構(gòu)件拆除后剩余結(jié)構(gòu)的強度，判斷結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生連續(xù)倒塌。如果結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌，則通過增強拆除后的剩余構(gòu)件來避免連續(xù)倒塌，這種方法的實質(zhì)是增強結(jié)構(gòu)的冗余度，提供有效的備用傳力路徑；如果一個構(gòu)件無法找到替代路徑，則該構(gòu)件應被視為“關鍵構(gòu)件”，使其具有足夠的強度，能一定程度上抵御意外荷載作用。雖然拆除構(gòu)件設計法概念簡單，實施方便，但單純通過增加構(gòu)件截面尺寸、提高材料強度的方法來提升結(jié)構(gòu)的承載力在很多情況下無法滿足結(jié)構(gòu)的抗倒塌要求，并且增加了結(jié)構(gòu)自重、減小了凈空面積，經(jīng)濟性差。顆粒阻尼技術是由傳統(tǒng)的沖擊阻尼器發(fā)展演變而來的一種被動控制技術，其在機械和航空航天領域已經(jīng)得到較為深入的研究和應用。顆粒阻尼技術，是一種將一定數(shù)量的金屬和非金屬顆粒放置于振動體中的有限體積空腔內(nèi)，通過顆粒之間或顆粒與腔壁之間的碰撞及摩擦消耗振動體能量的被動控制技術，具有對原系統(tǒng)改動小、可靠度高、耐久性好、對溫度變化不敏感、易于用在惡劣環(huán)境等優(yōu)點，受到了廣大土木工程研究人員的重視。已有研究成果表明顆粒阻尼器具有減振頻帶寬、減振效果好、減振效果穩(wěn)定的優(yōu)點，在土木工程領域具有廣闊的應用前景。因此，本發(fā)明提出一種采用顆粒阻尼技術提升結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的優(yōu)化設計方法，在傳統(tǒng)基于“拆除構(gòu)件法”設計的基礎上，將顆粒阻尼技術引入到提升結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力設計中，大大減小結(jié)構(gòu)在偶發(fā)荷載及災難荷載作用下的響應，對于避免結(jié)構(gòu)坍塌、減輕災難荷載下的人員傷亡具有重要意義。同時，顆粒阻尼器的對原系統(tǒng)改動小、耐久性好、易于取材等優(yōu)點，大大降低了設計的成本，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提出一種運用顆粒阻尼技術提升結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的優(yōu)化設計方法。該設計方法將顆粒阻尼技術引入到結(jié)構(gòu)的抗倒塌設計中，結(jié)合傳統(tǒng)的抗倒塌設計理念，綜合考慮結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的提升與成本問題，進行結(jié)構(gòu)抗倒塌的優(yōu)化設計。本發(fā)明提出的一種運用顆粒阻尼技術提升結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的優(yōu)化設計方法，具體步驟如下：(1)：根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及既定條件，運用有限元軟件對框架結(jié)構(gòu)的梁、柱及板進行常規(guī)的截面尺寸及配筋設計，得到初始模型的框架結(jié)構(gòu)；(2)：根據(jù)結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置確定一個或多個對步驟(1)得到的框架結(jié)構(gòu)受力起重要作用的部位；根據(jù)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設計中存在較多的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，且災害調(diào)查顯示框架結(jié)構(gòu)遭遇地震或者恐怖襲擊等意外因素時，首先出現(xiàn)破壞的多為豎向受力構(gòu)件，采用傳統(tǒng)的拆除構(gòu)件法沿建筑的外圍護對框架結(jié)構(gòu)的長邊中柱、短邊中柱及角柱逐一拆除；傳統(tǒng)“拆除構(gòu)件法”的抗倒塌設計通過增加剩余構(gòu)件的截面尺寸、材料強度來提升結(jié)構(gòu)的抗力從而避免倒塌，考慮設置“二道防線”，增強結(jié)構(gòu)的冗余度，提供有效的備用傳力路徑；如果一個構(gòu)件無法找到替代路徑，則應設計使其具有足夠的強度，能在一定程度上抵御意外荷載作用。(3)：依據(jù)傳統(tǒng)的拆除構(gòu)件法，選擇具體一個部位做失效處理，運用有限元軟件對剩余結(jié)構(gòu)進行分析，驗算其是否滿足正常使用荷載、偶發(fā)荷載或災難荷載下的抗倒塌要求；(4)：若步驟(3)中剩余結(jié)構(gòu)發(fā)生了倒塌，則該構(gòu)件視為結(jié)構(gòu)抗倒塌的關鍵部位，并分析在此部位失效狀態(tài)下框架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，探索倒塌機理；(5)：對步驟(2)中確定的框架結(jié)構(gòu)其余部位重復步驟(3)-(4)，得到其余每個部位處于失效狀態(tài)后的結(jié)構(gòu)響應，并對其進行倒塌評估；(6)：結(jié)合顆粒阻尼技術與傳統(tǒng)抗倒塌設計，綜合考慮結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的提升與成本問題，進行結(jié)構(gòu)抗倒塌的優(yōu)化設計，對加強后的框架結(jié)構(gòu)再次進行驗算；結(jié)合顆粒阻尼技術是在框架結(jié)構(gòu)上附加質(zhì)量式被動阻尼器，即將裝有金屬或其他材料等顆粒的容器附著在框架結(jié)構(gòu)振動較大的部位，以多自由度結(jié)構(gòu)為例，在頂層附加顆粒阻尼器的結(jié)構(gòu)的控制方程為：MX··+CX·+KX=F+Ex··g---(1)]]>M，C，K分別為質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣；X分別為加速度、速度和位移矩陣；E為慣性質(zhì)量矩陣；為地面加速度；F為顆粒對結(jié)構(gòu)的接觸力向量，這也是顆粒與主體結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系紐帶。顆粒阻尼技術利用顆粒之間以及顆粒與容器壁之間的非彈性碰撞和摩擦來消耗系統(tǒng)振動能量，顆粒阻尼器可以消耗外界輸入的能量，有效抑制結(jié)構(gòu)的振動，將顆粒阻尼器布置在結(jié)構(gòu)響應較大并直接影響結(jié)構(gòu)倒塌的關鍵部位，可以有效抑制其在動力荷載下的響應，從而提升結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。本發(fā)明中，所述優(yōu)化設計方法選用有限元軟件對框架結(jié)構(gòu)進行倒塌全過程分析，考慮結(jié)構(gòu)的大變形、大位移，直觀清晰地判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生倒塌。本發(fā)明中，所述偶發(fā)荷載為炸藥、燃氣、粉塵、壓力容器引起的爆炸荷載或運動物體引起的撞擊荷載。本發(fā)明中，所述災難荷載為地震、臺風、爆炸或火災等。本發(fā)明中，所述優(yōu)化設計方法中顆粒阻尼器的布置位置靈活，既可以附加于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外部，也可以內(nèi)嵌于結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，且可放置于任意夾層、結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部空洞中，不影響結(jié)構(gòu)使用。本發(fā)明中，所述優(yōu)化設計方法中顆粒材料可取普通建筑材料，如鋼球、混凝土球、玻璃球或陶瓷球中的任一種或多種。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下：1)顆粒阻尼器通過顆?！Y(jié)構(gòu)、顆粒—顆粒之間的非彈性碰撞與摩擦來實現(xiàn)動量交換及結(jié)構(gòu)能量耗散，具有良好的減振性能，在很大程度上抑制結(jié)構(gòu)的響應，提升抗倒塌能力。2)顆粒阻尼器布置位置靈活，既可以附加于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外部，也可以內(nèi)嵌于結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，且可放置于任意夾層、結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部空洞中，不影響結(jié)構(gòu)使用，克服了傳統(tǒng)意義上通過增加截面尺寸來提升結(jié)構(gòu)抗力所帶來的結(jié)構(gòu)自重增加、凈空面積減小等特點。3)顆粒阻尼器所用顆粒取材廉價方便，顆粒材料可取普通建筑材料，如鋼球、混凝土球、玻璃球或陶瓷球中的任一種或多種，很大程度上降低了結(jié)構(gòu)設計的成本，經(jīng)濟性突出。附圖說明圖1是本發(fā)明流程示意圖。圖2是用來證明本發(fā)明方法算例的五層鋼框架模型。圖3是地震波激勵下的鋼框架模型頂層加速度和位移響應時程曲線。其中：(a)為ElCentro波，加速度，(b)為ElCentro波，位移，(c)為上海人工波2，加速度，(d)為上海人工波2，位移。具體實施方式下面通過實施例結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。實施例1：以某五層鋼框架結(jié)構(gòu)為例，說明本發(fā)明的具體實施方式。本發(fā)明運用顆粒阻尼技術提升結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的優(yōu)化設計方法步驟如下：步驟(1)：根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及既定條件，運用有限元軟件對框架結(jié)構(gòu)的梁、柱及板進行常規(guī)的截面尺寸及配筋設計，得到初始模型，如圖2所示。本算例中主體結(jié)構(gòu)為五層鋼框架，單層高度為1.06m，總高度為5.30m；平面尺寸為2m×2m，其阻尼比為0.02，質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K分別如下：M=12001200120012001200kg]]>K=1063050-558390-5583901137820-579530-5794301158850-579420-5794201185850-606430-606430606430N/m]]>經(jīng)計算其前三階自振頻率分別為1Hz，3Hz和5Hz。步驟(2)：根據(jù)結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置確定一個或多個對結(jié)構(gòu)受力起重要作用的部位?？紤]到現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設計中存在較多的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，且災害調(diào)查顯示框架結(jié)構(gòu)遭遇地震或者恐怖襲擊等意外因素時首先出現(xiàn)破壞的多為豎向受力構(gòu)件，因此采用傳統(tǒng)的拆除構(gòu)件法沿建筑的外圍護對結(jié)構(gòu)的長邊中柱、短邊中柱及角柱逐一拆除。步驟(3)：依據(jù)傳統(tǒng)的拆除構(gòu)件法，選擇具體一個部位做失效處理，運用有限元軟件對剩余結(jié)構(gòu)進行倒塌全過程分析，考慮結(jié)構(gòu)的大變形、大位移，驗算其是否滿足正常使用荷載、偶發(fā)荷載和災難荷載下的抗倒塌要求，直觀清晰地判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生倒塌；所述偶發(fā)荷載為炸藥、燃氣、粉塵、壓力容器引起的爆炸荷載或運動物體引起的撞擊荷載；所述災難荷載為地震、臺風、爆炸或火災等。步驟(4)：若步驟(3)中結(jié)構(gòu)發(fā)生了倒塌，則該構(gòu)件視為結(jié)構(gòu)抗倒塌的關鍵部位，并分析在此部位失效狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，探索倒塌機理。步驟(5)：對步驟(2)中確定的其余部位重復步驟(3)—(4)，得到每個部位處于失效狀態(tài)后的結(jié)構(gòu)響應，并對其進行倒塌評估。步驟(6)：結(jié)合顆粒阻尼技術與傳統(tǒng)抗倒塌設計理念，綜合考慮結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的提升與成本問題，進行結(jié)構(gòu)抗倒塌的優(yōu)化設計，對加強后的結(jié)構(gòu)再次進行驗算。傳統(tǒng)“拆除構(gòu)件法”的抗倒塌設計理念通過增加剩余構(gòu)件的截面尺寸、材料強度來提升結(jié)構(gòu)的抗力從而避免倒塌，考慮設置“二道防線”，增強結(jié)構(gòu)的冗余度，提供有效的備用傳力路徑；如果一個構(gòu)件無法找到替代路徑，則應設計使其具有足夠的強度，能在一定程度上抵御意外荷載作用。將顆粒阻尼器布置在結(jié)構(gòu)響應較大并直接影響結(jié)構(gòu)倒塌的關鍵部位，可以有效抑制其在動力荷載下的響應，從而提升結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力；顆粒阻尼器既可以附加于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外部，也可以內(nèi)嵌于結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，且可放置于任意夾層、結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部空洞中；顆粒材料可取普通建筑材料，如鋼球、混凝土球、玻璃球或陶瓷球中的任一種或多種。下面重點說明運用顆粒阻尼技術提升結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的設計方法。在主體結(jié)構(gòu)頂部懸掛顆粒阻尼器。阻尼器包括上下兩層，每一層被分為6個內(nèi)徑為288mm×283mm×120mm的容器。阻尼器顆粒選用直徑為51mm的鋼球，總計180個，并被均勻放入容器內(nèi)。腔體質(zhì)量為39.345kg，整個顆粒阻尼器的質(zhì)量與模型總質(zhì)量的質(zhì)量比為2.26％。下面舉例說明在地震激勵(ElCentro波、汶川波、日本311波和上海人工2波)下，運用顆粒阻尼技術對主體結(jié)構(gòu)的減震控制效果。圖3為無控和有控結(jié)構(gòu)(附加顆粒阻尼器)頂層在ElCentro波和上海人工2波下加速度時程和位移時程曲線對比?？梢钥吹?，附加顆粒阻尼器后，不但使響應峰值明顯降低，而且使得響應時程曲線在整個時間段上快速衰減。表1和表2分別列出了無控和有控結(jié)構(gòu)頂層在地震波激勵下的位移和加速度的峰值和均方根響應(r.m.s)以及相應的顆粒阻尼器對框架結(jié)構(gòu)的減震效果。可以看到，有控結(jié)構(gòu)的動力響應普遍小于無控結(jié)構(gòu)，說明阻尼器有較穩(wěn)定的減震效果；在不同地震激勵下，峰值位移與均方根位移的減震效果最高分別達到39.01％與72.17％，峰值加速度與均方根加速度的減震效果最高達到33.56％和70.99％，這說明顆粒阻尼器能夠幫助主體結(jié)構(gòu)吸收并耗散掉很大一部分的地震輸入能量。此外，無控結(jié)構(gòu)在ElCentro波(0.2g)、汶川波(0.2g)和上海人工2波(0.1g)結(jié)構(gòu)已發(fā)生倒塌，而將顆粒阻尼器附加在結(jié)構(gòu)頂部后，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生倒塌。綜合圖2、圖3以及表1、表2可以看到，將顆粒阻尼技術引用到框架結(jié)構(gòu)中可以很大程度上減小結(jié)構(gòu)的響應，從而提升結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。綜合考慮傳統(tǒng)的增強抗力的抗倒塌設計理念與經(jīng)濟實用的顆粒阻尼技術，在滿足抗倒塌要求的前提下降低成本，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。表1.結(jié)構(gòu)頂層位移響應(mm)表2.結(jié)構(gòu)頂層加速度響應(g)當前第1頁1 2 3