湖北省科技馆混合减震巨型结构动力弹塑性时程分析

湖北省科技馆采用巨型钢框架-支撑结构体系,存在尺寸突变、扭转不规则、楼板不连续等不规则项,属于超限结构.为改善结构抗震性能,采取混合减震措施,在结构内布置屈曲约束支撑和防屈曲耗能钢板墙2种消能减震器.采用ABAQUS软件对结构进行施工模拟分析及动力弹塑性时程分析,研究罕遇地震作用下屈曲约束支撑和防屈曲耗能钢板墙混合减震效果,并给出定量评估,包括结构位移响应、构件损伤、能量耗散分布等.分析结果表明:2种消能减震器布置于结构薄弱位置,在提供结构刚度的同时,罕遇地震作用下作为结构第一道抗震防线,防屈曲耗能钢板墙产生良好的屈服塑性变形,屈曲约束支撑滞回耗能显著,有效保护了主体结构.     

昆明某超高层公寓建筑钢结构减震设计

某超高层建筑结构高度为299.8m,位于8度地震高烈度区,采用钢框架-钢支撑筒体系。介绍了该高层建筑的减震结构体系、地基基础和钢柱脚节点设计。为改善结构的抗震性能,采用了防屈曲支撑和钢连梁作为耗能构件。采用了PERFORM-3D软件分别对减震模型和非减震模型进行了罕遇地震下弹塑性时程分析。结果表明,防屈曲支撑既起到了耗能作用,又维持了支撑筒内各支撑框架的刚度(相对于普通支撑),有利于发挥钢连梁的耗能作用;罕遇地震下消能构件耗散了大量能量,减轻了主体结构的损伤,达到了预期的抗震性能设计目标。     

双肢消能摇摆柱受力机理及应用于混凝土框架的减震性能

针对钢筋混凝土框架结构在强震作用下出现薄弱层破坏的问题,提出了能够防止框架结构发生薄弱层破坏的消能减震构件,即双肢消能摇摆柱。在构件层面,通过分析受力机理,提出了双肢消能摇摆柱在侧向荷载作用下的弹性理论分析模型和弹塑性等效分析模型,并采用足尺试验结果及精细有限元分析结果对所提模型进行了验证,表明双肢消能摇摆柱具有良好的滞回耗能及刚度连续特性。在结构体系层面,通过纯混凝土框架与双肢消能摇摆柱 框架的动力弹塑性时程响应结果对比,表明利用双肢消能摇摆柱可较好地减轻混凝土框架结构的最大地震层间位移响应,并抑制混凝土框架结构的层间变形集中,从而防止潜在的地震作用下混凝土框架结构的薄弱层破坏。     

偏心结构消能减震技术的分析研究

由于偏心结构质量中心与刚度中心不重合,在地震作用下会产生扭转振动,对结构整体抗震性能十分不利。工程设计通常在远离刚度中心的抗侧结构中,采取设置支撑等增加刚度的措施,减小结构的偏心程度。本文采用消能减震技术,在偏心响应较大的抗侧结构中设置消能减震阻尼器,来减小偏心结构的扭转地震响应。论文通过弹塑性时程分析方法,研究了偏心结构、设置普通支撑、设置速度型阻尼器和位移型阻尼器四种结构方案在常遇、设防和罕遇地震作用下的扭转响应,研究了消能减震技术对偏心结构的减震控制效果。分析结果表明,消能减震技术可以有效控制偏心结构的扭转响应,在大震条件下较好的控制主体结构构件的受力。最后本文针对王府井大厦偏心结构工程进行了阻尼消能减震结构的设计。     

装配式斜支撑节点钢框架消能减震设计

新型工业化装配式斜支撑节点钢框架由桁架梁、立柱、斜撑等构件组成,斜撑改变了结构的传力途径,使得结构刚度提高,但延性降低。为提高地震作用下结构延性,采用粘滞阻尼器对结构进行消能减震设计,运用SAP2000软件对非减震结构和减震结构进行罕遇地震下的非线性时程分析,对比分析不同阻尼器布置方案的减震效果,对结构整体抗震性能进行评价。分析结果表明:在罕遇地震作用下,粘滞阻尼器表现出良好的耗能性能,减震结构拥有更大的弹塑性变形和强度储备。在结构中从底层开始连续布置1/2楼层阻尼器即可达到所有楼层均布置阻尼器时的减震效果。     

高地震烈度区设置连梁阻尼器消能减震结构设计与分析

结合某高地震烈度区实际工程,对设置连梁阻尼器的剪力墙结构进行消能减震计算分析。分析表明,消能减震结构比常规抗震结构在地震作用下的基底剪力减小了约16%～18%,倾覆力矩减小了约20%,最大层间位移角减小了约18%～24%;且设置连梁阻尼器后,连梁剪力得到合理控制,解决了小震作用下非减震结构大量连梁剪压比超限的问题,使连梁具有足够的承载力和延性。其次,采用动力时程反应分析对消能减震结构的附加阻尼比进行了计算分析并验证,证明消能减震结构的附加阻尼比取用3%比较合理且偏于安全。再次,对消能减震结构进行了大震弹塑性分析并考虑双向地震作用,通过滞回曲线看出连梁阻尼器在提供抗侧刚度的同时耗能明显,有效保护了主体结构构件的损伤,且大震弹塑性位移角满足规范相应要求。最后,对连梁阻尼器连接的设计提出了建议。     

海口希尔顿逸林酒店消能减震抗震设计

海口希尔顿逸林酒店由于建筑使用功能要求,其平面超长、不规则、楼板局部开大洞,且项目所处地区设防烈度较高等问题,导致在满足建筑使用功能前提下传统结构体系难以实现。本文采用消能减震方案,该方案在保证建筑功能前提下有效地改善了结构抗侧刚度,并显著提高了主体结构在地震作用下的安全度,同时大幅减小了构件尺寸节约了工程造价。大震作用下,所有结构构件进入弹塑性状态,阻尼器承担主要耗能作用,主体结构变形控制在规范范围内,达到"大震不倒"的设计目标。     

某高烈度区软弱土场地减震结构优化设计

在高烈度地区,通常采用减震技术减小主体结构的地震响应。针对本工程软弱土场地的特点,通过试算两种结构方案的减震效率进行比选,最终采用耗能型屈曲约束支撑作为本工程的减震构件,屈曲约束支撑性能目标设定为小震下保持弹性提供抗侧移刚度,大震下核心区屈曲提供耗能。屈曲约束支撑采用跃层交叉布置的形式,传力直接,减小了节点板数量。对该结构进行快速非线性时程分析,验证了小震下支撑处于弹性阶段,有效提供了抗侧移刚度。对该结构进行大震下弹塑性时程分析,结果表明该结构减震率达到当地政策要求,耗能构件与子结构达到预期的性能目标。针对受力较大的耗能子结构框架,配筋时采用四级钢加强框架的抗震性能。     

某大型商业中心消能减震设计

某大型商业中心抗震设防烈度为8度,结构体系为方钢管混凝土柱+钢框架梁,采用黏滞阻尼器进行消能减震。主要阐述了该大型商业综合体消能减震设计的阻尼器布置、有效附加阻尼比计算、小震弹性时程分析和减震率分析、大震弹塑性分析及加强措施。结果表明,结构各项指标均能满足现行规范及规程要求,大震下黏滞阻尼器的减震耗能效果明显,有效保护了主体结构,提高了整体结构的抗震性能。     

阿图什人民医院分院门诊医技楼消能减震结构设计北大核心CSCD

以阿图什市人民医院门诊医技楼为工程实例,详细介绍了消能减震结构设计的过程。首先阐述了消能减震的必要性并根据初步计算设定了预期的减震目标,其次利用ETABS软件对非减震及减震结构进行了多遇地震下的时程分析,最后利用PERFORM-3D软件对减震结构进行罕遇地震下动力弹塑性分析,对结构的整体性能及关键构件的性能进行了评估,并阐述了关键构件的设计方法,同时通过对减震结构及非减震结构的对比分析,论证了设置阻尼器在罕遇地震下可以使结构有更大的弹塑性变形和强度储备,可以满足"大震不倒"目标。     

Seismic behavior of highly irregular structures with multiple passive energy dissipation system: Case study of a single‐column elevated station

This paper presents a case study of the layout strategy for a multiple passive energy dissipation (MPED) system and its influence on the seismic behavior of highly irregular structures. The investigated structure is a single‐column elevated station in a cantilevered structure form, which is unique and characterized by uneven mass and stiffness distributions in both elevation and plane. To improve seismic resistances of the focused structure, the MPED system composed of multiple types of passive energy dissipation (PED) devices targeting different vulnerabilities is devised. In addition, a high‐fidelity and efficient numerical model is developed to assess the structural seismic performance, by leveraging the secondary development based on proprietary finite‐element analysis package MARC.MSC. The fiber beam–column elements are employed to simulate the composite members under complex loading conditions, and spring elements incorporated with cyclic hardening property are developed to simulate the PED devices. Nonlinear static and time history analysis are conducted for the key substructures and whole structure. The results demonstrate that the MPED system can effectively improve the stiffness, strength, and ductility of the structure and significantly reduce its global responses. A comprehensive evaluation indicates that the MPED system is beneficial for the members directly equipped with PED devices, but the benefits are limited for unprotected members that require special attentions in design to avoid secondary damage. Through this study, valid analysis tools and suggestions are provided for the design of high‐irregular structures with MPED system.     

基于单柱子结构模型的型钢混凝土异形柱框架抗震性能混合试验研究

为研究实腹式型钢混凝土异形柱框架结构的抗震性能,以一榀三层两跨异形柱中框架为原型进行整体结构抗震混合试验。基于试验装置构建的OpenSees-OpenFresco-MTS混合试验系统,分别选取底层十字形截面中柱和T形截面边柱作为试验单元,利用四联杆设备对其进行加载,其余部分作为计算单元基于OpenSees软件进行时程分析。通过观察不同试件的受力过程及破坏特征,分别获得试验单元和整体框架的动力反应,对比分析了其滞回特性、累积耗能及刚度退化等,并对震损柱进行拟静力试验。研究结果表明：型钢混凝土十字形中柱和T形边柱试验单元及整体框架的滞回曲线饱满,耗能能力强;震损柱的前期刚度下降迅速,后期刚度下降平缓,破坏时刚度约为初始平均刚度的30%;基于不同试验单元下整体框架的耗能结果初始状态和最终状态趋于一致,体现了混合试验方法的正确性及经济性。     

复合自复位结构基于概率的性能评估

复合自复位结构体系由基本功能分区（主结构）和损伤控制分区（次结构）组成,对于基本功能分区,可实现结构的正常使用功能,承担大部分的地震作用和全部的重力荷载,由传统的框架结构实现;对于损伤控制分区,可实现自复位和耗能,分担剩余的地震作用和降低结构的层间位移集中程度,可由自复位耗能框架实现。基于刚度需求的设计方法分别设计了无耗能机制、以BRB作为耗能机制和以自复位阻尼器作为耗能机制的三种复合自复位结构。将最大层间位移角和残余层间位移角作为变量,采用联合概率密度函数对三种复合自复位结构和无控结构进行性能评估。根据对联合概率密度函数演化、易损性曲线和层间位移集中系数的分析,结果表明：复合自复位结构可以有效降低结构最大层间位移角和残余层间位移角的均值和离散性,其中,以自复位阻尼器作为耗能机制的复合自复位结构具有最好的控制效果;复合自复位结构可以有效降低残余位移对结构损伤概率的影响;复合自复位结构可以较好地控制结构层间位移集中系数,降低薄弱层出现的可能性。     

消能摇摆高位隔震结构体系的地震反应特性

双段消能摇摆结构体系是通过两段串联的摇摆结构,控制主体结构各楼层在地震作用下均匀变形,抑制薄弱层的产生,也降低了主体结构对于摇摆结构的刚度需求。在变形集中的摇摆结构底部布设位移型阻尼器,可进一步提高结构的抗震性能。但是该体系存在承载力较低、上段结构地震反应相对较大的不足。基于此,提出了消能摇摆高位隔震结构体系,即在双段消能摇摆结构体系的分段楼层位置增设劲性支撑,以抑制上段结构的摇摆运动,提高结构的刚度与承载力;同时,下段结构允许发生摇摆,发挥高位隔震层的作用。以消能摇摆高位隔震结构体系为研究对象,分析对比了其他三种结构体系：传统支撑框架结构体系、双段消能摇摆结构体系、不含位移型阻尼器的摇摆高位隔震结构体系。采用OpenSees软件建立了弹塑性有限元分析模型,对四种结构体系进行弹塑性抗震分析和增量动力时程分析。研究表明,消能摇摆高位隔震结构体系的刚度与承载力较高,地震反应较小,抗震性能与抗倒塌性能良好。在摇摆结构分段位置加设劲性支撑层,可以抑制上段结构在地震作用下的变形,并发挥下段摇摆结构的隔震作用。布设于分段位置与摇摆结构底部的阻尼器,可以充分消耗地震能量,提高结构体系的抗震性能。     

超高层建筑基于性能的组合消能减震结构设计及其应用

组合消能减震是在结构中组合应用速度型阻尼器和位移型阻尼器,地震作用下参与结构耗能,降低结构地震响应。基于性能的组合消能减震设计是从性能化设计理念出发,通过调整消能减震装置在结构中的布置位置和力学特性参数,在不同水准地震作用下分阶段发挥各阻尼器的作用,满足结构受力变形要求,提高结构抗震性能。以云南省昆明市一超高层建筑为工程背景,在结构中同时布置了速度型阻尼器和位移型阻尼器,研究了不同类型减震装置在结构中的较优布置位置,结果表明：本工程采用组合消能减震技术后,在多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下,各类减震装置均能充分参与结构耗能,相比传统抗震结构,其地震响应和构件损伤可得到更好的控制,整体结构能够满足预期抗震性能目标要求。     

中国国际丝路中心超高层结构设计与关键技术

中国国际丝路中心超高层建筑总高度498 m,位于陕西省西安市,抗震设防烈度8度,该结构的侧向变形和承载力均由地震作用控制。为解决结构侧向刚度不足的问题,设置了伸臂桁架加强层,然而传统伸臂桁架往往会造成结构刚度和承载力突变等问题。为此,采用基于刚性伸臂和黏滞阻尼伸臂的组合伸臂桁架技术,研究刚性伸臂桁架和黏滞阻尼伸臂桁架在结构中的较优布置位置和实际效果,从结构指标、结构耗能、构件受力及经济性等方面进行了综合对比。提出了在结构上部两个避难区布置黏滞阻尼伸臂桁架,在结构下部两个避难区布置刚性伸臂桁架的布置方式。从结构响应和结构损伤方面,分析了结构在不同水准地震作用下的抗震性能,并对结构伸臂桁架关键节点进行了有限元分析。结果表明：通过采用组合伸臂桁架技术,可使结构耗能机制得到改善,结构地震响应和构件损伤得到降低,且伸臂桁架安全可靠。     

Study on seismic performance of a super‐tall steel–concrete hybrid structure

Many steel–concrete hybrid buildings have been built in China. The seismic performance of such hybrid system is much more complicated than that of steel structure or reinforced concrete (RC) structure. A steel–concrete hybrid frame‐tube super‐tall building structure with new type of shear walls to be built in a district of seismic intensity 8 in China was studied for its structural complexity and irregularity. Both model test and numerical simulation were applied to obtain the detailed knowledge of seismic performance for this structure. First, a 1/30 scaled model structure was tested on the shaking table under different levels of earthquakes. The failure process and mechanism of the model structure are presented here. Nonlinear time‐history analysis of the prototype structure was then conducted by using the software PERFORM‐3D. The dynamic characteristics, inter‐story drift ratios and energy dissipation conditions are introduced. On the basis of the comparison between the deformation demand and capacity of main structural components at individual performance level under different earthquake level, the seismic performance at the member level was also evaluated. Despite the structural complexity and code‐exceeding height, both experimental and analytical results indicate that the overall seismic performance of the structure meet the requirements of the Chinese design code. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

C100高强混凝土框架-核心筒消能减震结构抗震性能研究

我国现行建筑抗震设计规范中要求结构（构件）在满足承载力的同时,需具备足够的变形能力,但是由于高强材料在延性上的不足,高强混凝土结构构件可能无法同时满足以上要求。为充分发挥高强混凝土竖向构件承载力,基于设置消能减震装置集中耗能降低结构地震响应的方法,对7度设防区C100高强混凝土框架-核心筒消能减震结构抗震性能进行研究。结果表明：在罕遇地震作用下,C100高强混凝土框架-核心筒结构竖向构件基本保持在弹性工作状态,消能减震技术可有效降低地震作用,保证结构的抗震安全;通过不同消能减震方案对比分析得到,在加强层以及结构剪切变形较明显的楼层布置合理数量的黏滞阻尼器减震效果最好。     

Multiperformance optimization design of a hybrid vibration mitigation system for super high‐rise buildings to improve earthquake resistance

A structure must meet many performance requirements to survive an earthquake. For a super high‐rise structure, the dominant control performance metric is stiffness when considering earthquake resistance because the lateral displacement of the structure often does not meet the requirements of the code even if the structure meets strength requirements. For moderate and major earthquakes, stiffness and strength play a leading role jointly. Viscous damper (VD) and buckling restraint brace (BRB) are damping devices that are commonly used in modern engineering. The efficiencies of these devices are different for different situations, and combining them can yield improved structural vibration mitigation. In this study, the performances of VD and BRB are summarized. A kind of virtual VD model with an additional damping ratio is proposed on the basis of which a VD priority placement analysis method is developed, and an optimal design is proposed. A detailed analysis of various stress states of a BRB is also performed, and a BRB arrangement method based on brace stress level analysis is proposed. The two kinds of vibration damping equipment are combined in the structure, and a practical design method for a hybrid vibration damping system is proposed. The accuracy of the proposed method is verified by considering a 10‐story plane frame. Finally, a hybrid vibration mitigation design for different objective damping ratios is performed for a super tall building project, and the design results are compared. The analysis results show that a VD can effectively increase structural damping and reduce the seismic response of the structure. A BRB is used to replace supports that experience high stress and reduce their section size, thereby reducing costs. Therefore, the proposed hybrid vibration damping structure is cost effective while providing good energy dissipation and is thus promising for engineering applications.