基于耗能減震裝置的優(yōu)化設置的研究

1、基于耗能減震裝置的優(yōu)化設置的研究    摘要:在建筑物中設置耗能減震裝置,已在抗震領域研究多年,而阻尼安裝位置的優(yōu)化確是摩擦阻尼器應用中面臨的主要問題之一.相同數量的阻尼器,不同的布置位置,將會對主體結構的消能減震作用產生較大影響.對此,本文以某八層框架為例,通過ANSYS有限元軟件對結構進行八度多遇及罕遇地震作用分析,得出了結構在無阻尼、循環(huán)優(yōu)化法及遺傳算法再優(yōu)化三種情況下結構的地震響應.計算結果表明,安裝摩擦阻尼器的消能減震結構抗震性能明顯提高;在摩擦阻尼器數量一定的前提下,通過遺傳算法對阻尼器位置布設的進一步優(yōu)化有利于減小結構地震響應,提高結構抗震

2、性能.關鍵詞:摩擦耗能減震裝置;摩擦阻尼器;結構優(yōu)化設計;遺傳算法被動控制是指考慮振動的一般特性,為隔離、減少或消耗輸入結構內的振動能量,事先在結構內某部位安裝經過調整的彈簧、阻尼器等裝置,使結構難以發(fā)生共振并減少主體結構震動反應的一種控制方法1.通常被動控制不需要外部提供能源,其控制力是控制裝置隨著結構一起振動變形,因裝置自身的運動而被動產生的.在被動控制結構中,摩擦耗能減震裝置由于其顯著的特性和優(yōu)點,目前越來越多的被廣泛采用2􀀁6.但摩擦耗能減震裝置在應用中目前仍存在著兩大需要解決的問題,一是阻尼器的幾何參數的選擇;二是阻尼器安裝位置的確定.通常相同數量的阻尼器,布置位置

3、是否優(yōu)化,將會對主體結構的消能減震作用產生較大影響.因此,本文運用循環(huán)法和遺傳算法的優(yōu)化方法對某八層框架結構裝有被動控制的摩擦阻尼器進行計算,采用ELCentro波和天津波對其結構進行地震響應分析對比,得出了結構在無阻尼、循環(huán)優(yōu)化法及遺傳算法再優(yōu)化三種情況下結構的地震響應,取得了較有意義的研究成果.1􀀁耗能器的選擇、數量確定及布置原則1.1􀀁耗能器的選擇目前研發(fā)的耗能器從作用機理上分為速度相關型、位移相關型和復合型耗能器.速度相關型耗能器(包括粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器)是利用與速度有關的粘性抵抗作用,從小振幅到大振幅的變化來獲得衰減力,其耗能能力取決于耗能器

4、兩端相對變形速度的大小;位移相關型耗能器(包括摩擦耗能器、金屬耗能器等)是利用滯回變形消耗能量,其耗能能力僅與耗能器兩端相對位移的大小有關;而復合型耗能器是利用兩種或兩種以上的耗能元件或耗能機理耗散能量,這類耗能器計算模型較為復雜,若無特別突出的優(yōu)越性,一般不宜采用.通常耗能器的型號參數選用包括最大阻尼力、最大行程、工作效率等內容.對于相應的極限狀態(tài),必須確保耗能構件具有相應的安全富余度,在可動范圍內必須避免破壞,所有耗能器的最大行程應大于所在層最大位移的130%.其中,速度相關型耗能器還要有最大速度大于所在層最大速度的130%.另外,為使耗能器不會對結構造成不利影響,保護支撐系統(tǒng)和連接點不會

5、因為阻尼力太大而先于結構破壞,要控制大振作用下耗能器的阻尼力.1.2􀀁耗能器的數量的確定耗能器的數量和主要的性能特征參數與通常與地震作用有關.在耗能器主要性能特征參數確定的情況下,可以用能量法初步確定所需要的數量,最后通過時程分析進一步驗證.在實際工程設計中,通常認為地震能量Ein全部由耗能器耗散和吸收,即:Ein􀀁EA(1)式(1)中:地震能量Ein可根據地震能量反應譜確定;耗能器所消耗的能量EA可由耗能器的滯回環(huán)的面積求出,其近似表達式為:EA=n􀀁mEdi(2)式(2)中,Edi表示單個耗能器循環(huán)一周所耗散的能量,等于滯回曲線包圍的面

6、積,可以根據耗能器的恢復力模型進行計算;m為耗能器的循環(huán)次數,一般可達200600次;􀀁為耗能器的工作系數,一般可取0.40.6;n為耗能器的總數.結合公式(1),(2)即可以初步確定耗能器的數量.1.3􀀁耗能器的布置原則在結構平面上,耗能器的布置應使結構的扭轉效應盡量減小,確切地說,應布置在結構的外緣.一般在結構的縱、橫方向都要布置耗能器且盡量組成L形、工字形、口字形,以便增強結構的抗側剛度,盡量使結構的質量中心與剛度中心重合在結構立面上.另外,耗能器應放在層間剪切位移較大的部位,如框架結構的下部樓層,盡量采用對角線連接布置.對于給定的結構,在耗能器數目一

7、定的條件下,可根據可控度的概念,采用最優(yōu)放置順序逼近法來確定耗能支撐的最優(yōu)布置方案,將層間變形的均方值定義為最優(yōu)位置指數.具體方法是可見文獻1.2􀀁耗能器布置位置優(yōu)化思路阻尼器的優(yōu)化設置是阻尼器減振設計過程中一個重要的環(huán)節(jié),它主要包含兩方面的問題:一是位置優(yōu)化合理的目標函數;二是實現目標函數的方法.很多國內外學著已經提出很多優(yōu)化方法,如粘彈性阻尼結構的遞歸神經網絡優(yōu)化方法7.本文使用的優(yōu)化方法如下:2.1􀀁循環(huán)法優(yōu)化循環(huán)法是以層間位移為控制函數,每次在層間位移較大的樓層安裝摩擦阻尼器,然后采用時程分析計算結構的地震反應,判斷此時層間位移角是否滿足規(guī)范要求,如

8、果不滿足則要修改結構剛度和阻尼矩陣,再進行計算和分析,直至最大層間位移滿足規(guī)范要求:|umax|􀀁u(3)具體的優(yōu)化流程見圖1.2.2􀀁遺傳算法優(yōu)化遺傳算法8是模擬自然界生物進化過程與機制求解極值問題的一類自組織、自適應人工智能技術,它是由美國Michigan大學J.Holland教授于1975年首先提出來的.遺傳算法求解問題的一般步驟為:􀀁、隨機給定一組初始解;􀀁、評價當前這組解的性能;􀀁、根據􀀁的評價結果,從當前解中選擇一定數量的解作為基因操作的對象;􀀁、對所選擇的

9、解進行基因操作(雜交(交叉)、突變(變異),得到一組新的解;􀀁、返回到􀀁,對該組新的解進行評價;􀀁、若當前解滿足要求或進化過程達到一定的要求,計算結果,否則轉向􀀁繼續(xù)進行.本文對鋼筋混凝土框架結構中的耗能器的位置采用Matlab遺傳算法工具箱9進行優(yōu)化.應用循環(huán)法優(yōu)化出來的摩擦阻尼器數量,將其均勻地分布在原結構(未安裝阻尼裝置的結構)中,再以層間位移為優(yōu)化的目標函數,運用遺傳算法進行位置的優(yōu)化.優(yōu)化模型為:求X=(x1,x2,􀀁,xi,􀀁,xn)T(4)minf(X)s.t.gj(X)&

10、#1048577;0(j=1,2,􀀁,m)hk(X)=0(k=1,2,􀀁,p)式中:X稱為設計變量,xi為第i個設計參數;f(X)稱為目標函數;gj(X)􀀁0稱為不等式約束條件,hk(X)=0稱為等式約束條件.具體的優(yōu)化流程見圖2.3􀀁計算實例3.1􀀁工程概況及模型的建立本工程為8層鋼筋混凝土框架結構,見圖3,1層層高5.2m,28層層高為3􀀁6m,建筑結構總高為30.4m.柱截面為800mm􀀁800mm,梁KL1截面為350mm􀀁700mm,梁KL2

11、截面為250mm􀀁500mm.梁、柱混凝土分別采用C30和C40,彈性模量分別為3.0e10N/m2和3􀀁25e10N/m2,泊松比為0.2,混凝土容重為2500kg/m3,地震設防烈度為8度,􀀁類場地土.根據1.1節(jié)介紹的阻尼器的選擇原則,再根據結構的位移、受力條件來確定耗能器的型號.本工程采用雙剪Pall型摩擦耗能器,其裝置的滑動荷載為300kN,最大滑動位移為8cm,其恢復力模型采用理想剛塑性模型.應用ANSYS有限元程序對結構在8度多遇地震和罕遇地震進行分析.本文模型選用ANSYS三維模型,結構的梁、柱單用均選取beam4單元,阻尼

12、器選用com􀀁bine14單元進行模擬,等效剛度Kd=1.72E7N/m,等效阻尼Cd=5􀀁01E7N/m.通過約束六個方向的自由度實現模型下部與地面剛接.3.2􀀁結果分析本文采用經循環(huán)設置方法,根據圖1的設計流程確定了結構的摩擦阻尼器設置數量和位置,具體位置和數量見圖4所示;根據圖2的設計流程,運用遺傳算法對結構進行進一步優(yōu)化,具體布置方式見圖5所示.本文分別采用10s記錄EL􀀁Centro波和20s記錄的天津波作為輸入的地震波,以加速度的形式施加,并將這兩種波的最大加速度分別調整到70gal和400gal,以便滿足&#

13、1048577;類場地土的要求.地震波采用橫向輸入的方式分別對純框架結構、循環(huán)法設置摩擦阻尼器結構和遺傳算法再優(yōu)化結構進行分析,得出了三種模型各樓層的位移反應,見圖6圖9所示.從圖6圖9可以看出,在EI􀀁Centro波和天津波兩種地震波的作用下,摩擦阻尼結構均發(fā)揮了良好的消能減震效果.無論是在8度多遇地震強度作用下還是在8度罕遇地震強度作用下,對于選擇的對比參數中頂層的位移時程,摩擦阻尼結構都比原始結構要減40%左右.說明摩擦阻尼器無論是在多遇地震強度下還是在罕遇地震強度作用下,都能夠很好的發(fā)揮消能減震的作用.從圖6圖9可以看出,結構在進行遺傳算法再優(yōu)化后,比優(yōu)化前結構在多遇

14、的地震強度作用下,頂層的最大彈性位移要降低約17%.罕遇地震強度作用下,頂層的最大彈性位移要降低約10%.而且,層間側移也有了一定程度上的減小,其中,2、3、4層的降低最為明顯.遺傳算法優(yōu)化后各層的最大層間相對位移也較為平均,這樣更有利于充分發(fā)揮結構各層所有結構構件的抗震性能.由上可見,布置相同數量的阻尼器,應用遺傳算法再次優(yōu)化后,結構的地震響應又有所降低,更有利于結構性能的發(fā)揮.因此,對于摩擦阻尼器位置的優(yōu)化設計是有必要的.4􀀁結􀀁論本文采用三種不同的方法對同一結構進行了8度多遇及罕遇地震作用下的時程分析,得到如下主要結論:(1)本文采用循環(huán)布置法有效而且

15、直觀的確定了結構所需加設阻尼器的總數量,并給出了一定的布置形式.利用遺傳算法對相同阻尼器數量的減震結構進行優(yōu)化,使得結構在相同的阻尼器數量下,有更好的減震效果.這種將循環(huán)布置法與遺傳算法相結合的優(yōu)化思路,對于耗能減震結構的阻尼器優(yōu)化有良好的效果.(2)計算結果表明,結構在進行遺傳算法再優(yōu)化后,比優(yōu)化前結構在多遇的地震強度作用下,頂層的最大彈性位移要降低約17%.罕遇地震強度作用下,頂層的最大彈性位移要降低10%.(3)計算結果表明,本文采用了EI􀀁Centro波和天津波對結構進行阻尼器的優(yōu)化分析,其優(yōu)化結果基本一致,從而說明了不同優(yōu)化方法對地震波有較好的適應性,避免了出現不同

16、地震波優(yōu)化結構大相徑庭的現象.(4)計算結果表明,在地震作用下,摩擦阻尼器對結構的減震控制有很明顯的效果.安裝有摩擦阻尼器的結構在地震過程中,總體地震動力響應減小了40%以上,大大優(yōu)化了結構在地震作用下的抗震性能,提高了結構的安全儲備.(5)計算結果表明,在多遇地震作用下,摩擦阻尼器能夠正常工作,達到􀀁小震不壞,中震可修􀀁的設防標準;同時在罕遇地震作用下,摩擦阻尼器仍然能夠正常工作,使結構不僅能達到􀀁大震不倒􀀁的設防標準,而且也達到了􀀁大震可修􀀁的標準.參考文獻􀀁 1

17、􀀁 歐進萍. 結構振動控制􀀁 主動、半主動和智能控制 M . 北京: 科學出版社, 2003.OU Jin􀀁ping . Structural v ibratio n contro l􀀁 Activ e and semi􀀁active and intellig ent contro l M . Beijing: Science Press, 2003. 2 􀀁 周福霖. 工程結構減震控制M . 北京: 地震出版社, 1997.ZH OU Fu􀀁 lin. Damping

18、 contro l of eng ineer ing str uctures M . Beijing: Earthquake Press, 1997. 3 􀀁 PALL A S, VERGANELAKIS V, MARSH C. Fr ictio n􀀁Dampers fo r Seismic Control of Concordia University Library Building C . Proc. of 5th Canadian Conference o n Ear thquake Engineer ing, Ottaw a, 1987. 4 &#

19、1048577; SAHAI R. Per formance Based Design of 4􀀁st or y Moscone Convent ion Center Ex pansio n Using Steel Couple Gir der Moment Resisting Fr ame and Friction Damper s C 􀀁 Pro ceedings, SEAOC Anuual Convention, Santa Barbara,California, 2000. 5 􀀁 歐進萍, 鄒向陽. 振戎中學食堂樓耗能減震分析與設

20、計( I) 􀀁 反應譜法 J . 地震工程與工程振動, 2001 , 21( 1) ,109􀀁114.OU Jin􀀁ping , ZOU Xiang􀀁y ang . Seismic analysis and desig n of ener gy o f Zhenro ng high schoo l􀀁 Dining􀀁ro om( I) 􀀁Response spect rum met ho d J . Ear thquake Engineer ing and Enginee

21、r ing Vibration, 2001, 21( 1) , 109􀀁114. 6 􀀁 NIELSEN L O, MUALLA I H , IWAI Y. Seismic Iso lation w ith a New Fr ictio n􀀁Viscoelast ic Damping System C 􀀁Proceeding s, 13th Wo rld Confer ence on Earthquake Eng ineer ing, Vancouver , 2004. 7 􀀁 周建中, 趙鴻鐵, 薛建陽. 黏彈性阻尼結構的遞歸神經網絡優(yōu)化 J . 西安建筑科技大學學報: 自然科學版, 2005,37( 1) : 35􀀁39.ZH OU Jian􀀁zho ng , ZH AO H ong