DBWorld工程云应用之结构抗震设计最佳刚度分布研究

    一、引言

    当发生地震时，为了保证人们的生命和财产安全，建筑物需要有良好的抗震性能。随着建筑物结构刚度分布的不同，结构各层的地震响应值也不同。对于多、高层建筑，科学、合理的设置各楼层的刚度不仅可以提高其抗震性能，还能节约投资。如今，许多相关文献主要着重研究结构设置何种阻尼器，在结构何处设置阻尼器，以及结构设置阻尼器后最佳阻尼量的确定等。而主体结构的刚度分布对结构抗震性能的影响，目前研究较少。故可以在不同刚度分布的基础上，对算例模型的主结构设置阻尼器，对比并分析不同消能减震结构的抗震性能。其中确保主结构始终处于弹性状态，而阻尼器宜发生弹塑性变形。

    二、研究思路

    可以通过对不同刚度分布的18层高层钢框架多质点系模型模型及其消能减震结构模型进行大震弹塑性时程分析，从地震响应和能量耗散的角度讨论它们的抗震性能，证明何种刚度分布为抗震效果最佳的结构侧移刚度。

    多质点系模型及其消能减震结构模型如图1和图2所示。

    其中，在分析主结构设置阻尼器的消能减震结构时，由于要使原结构加了阻尼器后各楼层主体最好处于弹性状态，阻尼器需要快速进入屈服状态，故可选取金属阻尼器。结构各楼层与各层金属阻尼器以及两者叠加的恢复力模型见图3，即各层侧移刚度组成示意图。

    本文根据质量、基本周期和楼层刚度分布，再利用dgca.f程序确定结构侧移刚度ki。至于各层的侧移刚度ki分布，采用如下五种分布：

    其中，表示层号，表示结构总层数，表示结构的层数比，分布公式中，T为结构基本周期，。由分布确定侧移刚度方法如下：（1）根据层剪力系数计算各层设计剪力；（2）设定屈服位移为3cm；（3）利用剪力和屈服位移计算各层侧移刚度。

    以《建築のテキスト編集委員会.初めての建築構造設計》中提出的Ai分布为例，若Ai分布为最佳侧移刚度，可建立实际的三维高层钢框架空间模型满足Ai刚度分布,总结出结构层数比与梁柱线刚度的分布规律。

    三、实现平台

    以上所述的研究若要得到准确的研究成果，必须利用有限元软件进行各种大量的反复试算与验算，也许还会涉及到不同的程序及软件之间的转换，所以计算与分析的繁琐程度与耗时可想而知。

    凯云建筑旗下的DBWorld工程云计算平台集成了建筑行业各种常用CAD软件、设计与分析软件和BIM设计软件等，并且使用云平台进行计算分析迅速可靠，无需占用本地资源，有使用便捷、安全可靠、按需使用、接口开放以及线下咨询等特点；能够高效的得到流体仿真、BIM设计、地震分析以及风振分析等的计算结果。凯云建筑致力于引导整个工程行业数字化技术发展，着力打造出基于云计算架构的互联网平台DBWorld工程云计算平台，为广大建筑工程从业人员（尤其针对中小企业和个人）提供高品质的在线云应用以及BIM专业咨询服务。

    采用DBWorld工程云计算平台，在El Centro地震波与ART ElCentro地震波作用下，结构为不同刚度分布的各结果对比如下。

    由图4看出，星星分布、Ai分布与线性分布的各层位移降低率都较大，且相差不大，故效果较好；均匀分布的位移降低率较其余分布是最小的，效果一般。

    由图5看出，左图的抛物线分布与Ai分布的加速度降低率超过1.0的楼层数多，效果较好；其余分布均有多层的加速度降低率小于1.0，效果一般。右图各分布的加速度降低率均相近。

    地震波输入消能减震结构的能量，由主结构和阻尼器两部分承担。故各楼层阻尼器消耗的能量越多越均匀，主结构承担的能量就越少，结构抗震性能也就越好。

    图6和图7表示消能减震结构各楼层的平均塑性变形倍率及累积塑性变形倍率。

    各层阻尼器消耗的能量见图8。

    通过图6~图8可以看出，星星分布、均匀分布和线性分布阻尼器的平均塑性变形倍率和累积塑性变形倍率总有为零的楼层，即最上面楼层的阻尼器处于弹性状态，没有被利用到。故最上面楼层阻尼器消耗的能量也为零。抛物线分布虽然各层阻尼器也均被利用到，但结构上部楼层的塑性变形率发生突增，说明上部楼层阻尼器的耗能过于集中，不好。

    而Ai分布阻尼器的平均和累积塑性变形倍率各层均不为零，说明各层阻尼器都被利用到了，各层阻尼器都消耗了能量，且能量耗散均匀，故Ai分布减震效果更好。

    之后，建立实际的三维高层钢框架空间模型，反复利用推覆分析法使楼层侧移刚度大致满足Ai刚度分布,就能得出结构层数比与梁柱线刚度的分布规律。再对该实际算例模型及其相应的多质点系模型进行地震响应时程分析，并与理想Ai刚度分布多质点系模型的地震响应值对比，用以证明实际结构中刚度分布为Ai分布是有效可行的。

    张映雪

    Resume个人履历

    毕业于江苏科技大学结构工程硕士研究生，为江苏省研究生科研创新项目、校研究生科技创新计划的项目承担人，以及校研究生会（土建学院）主席，发表数篇学术论文，曾获得优秀毕业生、校优秀毕业论文，并获得国家奖学金等各项荣誉。具有团队合作精神，有良好环境适应能力和很好的执行能力。

    Large Project参与的重大项目

    参与《中交金融投资大厦超高层建筑结构抗震分析》、《加蓬奥耶姆体育场数值风洞模拟》，《苏州阳澄湖接待中心数值风洞模拟》、《某幼儿园附加屈曲约束支撑（UBB）抗震分析》等项目；

    参与上海某看守所的结构设计、河南省永城市高级中学项目的结构设计、云南省“银湾水岸”项目的结构设计；

    参与《屈曲约束支撑（LD-UBB）设计指南》（第一版）的编写；

    2015年在《世界地震工程》上发表论文《框架结构剪切刚度的实用计算方法》；

    2014年在《建筑科学》上发表论文《高层钢框架结构抗震设计最佳刚度分布研究》；

    2013年在《工程抗震与加固改造》上发表论文《框架-剪力墙结构剪切-弯曲模型精确性研究》；