一种以附加阻尼比为约束条件的粘滞阻尼器优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种粘滞阻尼器优化设计方法，尤其是涉及一种以附加阻尼比为约束 条件的粘滞阻尼器优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着超高层建筑高度的不断增加，结构整体抗侧刚度相对较小，结构在水平荷载 (50年一遇风荷载和小震)下的刚度问题成为超高层建筑设计的关键问题。
[0003] 对于超高层建筑而言，通过传统的增大结构抗侧构件的截面尺寸来提高结构的刚 度性能显然是非常不经济的。伴随着我国消能减震技术的快速发展，结构工程师越来越倾 向于通过采用消能减震技术来进行结构抗风设计和结构抗震设计。粘滞阻尼器是一种无刚 度、速度相关型粘滞阻尼器，在风和地震荷载作用下，粘滞流体通过阻尼孔或阻尼间隙并带 有一定速度的流向另一侧而产生阻尼力，从而耗散输入结构的能量。粘滞阻尼器在小变形 下便进入耗能状态，具有较强的耗能能力，且既能抗风又能抗震，不但可以提高结构的附加 阻尼比性能，还能通过提供附加阻尼的方式提高结构在风和地震作用下的刚度性能。
[0004] 目前，粘滞阻尼器的布置位置主要是根据建筑要求及消能装置的布置原则来确定 的，一般将粘滞阻尼器布置在建筑容许且层间相对变形或者层间相对速度相对较大的楼 层。然而，此种布置方式存在很多不合理之处:一是层间变形由弯曲变形和剪切变形两部分 组成，但实际上只有剪切变形才能引起粘滞阻尼器产生轴向相对变形；二是即便将粘滞阻 尼器布置在同一楼层的不同位置，其耗能效率也是不相同的；三是在同一楼层布置多个粘 滞阻尼器之后，粘滞阻尼器之间、粘滞阻尼器与主体结构之间会相互影响，在原结构剪切变 形较大的位置布置粘滞阻尼器可能其效率会变得较低。粘滞阻尼器的布置数量和阻尼系数 的取值则是通过反复试算的方式来最终确定的，效率较低，经济性也不好。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种以附加阻尼比 为约束条件的粘滞阻尼器优化设计方法，该方法能够求得满足50年一遇风或小震时程波下 粘滞阻尼器提供的附加阻尼比、中震下粘滞阻尼器的最大出力和50年一遇风下粘滞阻尼器 的最大功率约束条件下粘滞阻尼器的最优布置位置、最少布置数量与最小阻尼系数，对于 指导工程实践具有重要意义。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种以附加阻尼比为约束条件的粘 滞阻尼器优化设计方法，用于优化粘滞阻尼器的位置、数量及阻尼系数，包括以下步骤：
[0007] (1)确定粘滞阻尼器的可布位置及最大布置数量Nmax并分组；
[0008] (2)确定粘滞阻尼器的布置方式及相应的几何参数；
[0009] (3)设i为迭代次数，并令i = 0,当粘滞阻尼器数量N(i)=0时，设50年一遇风或小 震时程波下粘滞阻尼器提供的附加阻尼比ξ(υ=〇;
[0010] (4)令i = l，计算当粘滞阻尼器数量N(i)=Nmax时，50年一遇风或小震时程波下粘 滞阻尼器提供的附加阻尼比ξ(υ、中震下粘滞阻尼器的最大出力F(i)和50年一遇风下粘滞 阻尼器的最大功率P(i)，并设定初始阻尼系数C(i)=CQ，C〇为阻尼系数的初始值，是一常数；
[0011] (5)令i = 2,调整阻尼系数，然后计算粘滞阻尼器数量N(i)=Nmax时，50年一遇风或 小震时程波下粘滞阻尼器提供的附加阻尼比Ui)、中震下最大出力F(i)和50年一遇风下粘 滞阻尼器的最大功率P(i)，如果Ui) 2 [ξ]，则转步骤(6)，否则，优化结束，其中[ξ]为50年 一遇风或小震时程波下附加阻尼比限值；
[0012] (6)令循环变量k=l，不满足附加阻尼比约束条件的粘滞阻尼器数量下限值A(k) =0,满足附加阻尼比约束条件的粘滞阻尼器数量上限值B(k)=N(i)，迭代次数指标m=l， 约束状态参数flag = 0,估算满足附加阻尼比约束条件所需的粘滞阻尼器数量λ(1〇;
[0013] (7)对粘滞阻尼器排序并筛选粘滞阻尼器，如果实际筛选出的粘滞阻尼器的数量η = N(i)，则令flag = 0,转步骤(8)，否则保持阻尼系数不变，并转步骤(9);
[0014] (8)采用线性插值法分别计算满足附加阻尼比、最大出力、最大功率约束条件的阻 尼系数，并确定其中的最小值(^";
[0015] (9)判断是否满足优化结束条件，如果是，则优化结束，否则，转步骤(10);
[0016] (10)令i = i + l，k = k+l，将步骤(7)中筛选的粘滞阻尼器布置在建筑结构上，并计 算50年一遇风或小震时程波下粘滞阻尼器提供的附加阻尼比|(i)、中震下粘滞阻尼器的最 大出力F( i)及50年一遇风下粘滞阻尼器的最大功率P( i);
[0017] (11)估算满足附加阻尼比约束条件的粘滞阻尼器数量并转步骤(7)。
[0018] 所述的步骤（1)中分组的过程具体为：按照对称性的原则，将粘滞阻尼器分别沿X 向和Y向分组，分组时将同一区格或关于结构中轴对称的两个粘滞阻尼器分为一组，同组粘 滞阻尼器同时添加，同时删除。
[0019] 所述的布置方式包括对角布置、人字形布置、跨层布置、剪刀式布置、肘节式布置 和竖向布置等，这些布置方式的唯一区别在于不同的布置方式相应的几何参数不同。所谓 的几何参数是指确定粘滞阻尼器布置形式的参数，如对角布置和跨层布置时阻尼杆两端的 坐标，剪刀式布置和肘节式布置支撑杆的角度和长度等。
[0020] 所述的步骤(5)中调整阻尼系数具体为:根据式(1)调整阻尼系数，
[0022] 其中，C'o为调整后的阻尼系数，[F]为中震下粘滞阻尼器的最大出力的限值，[P] 为50年一遇风下粘滞阻尼器最大功率的限值。
[0023] 所述的步骤(6)中：根据式（2)估算满足附加阻尼比条件所需要的粘滞阻尼器数 量：
[0025]所述的步骤(7)具体为:计算50年一遇风荷载或小震时程波下每一组粘滞阻尼器 的平均耗能，按照平均耗能分别对X向和Y向的粘滞阻尼器排序，然后从B(k)个粘滞阻尼器 中筛选出至少ceil(A(k)/2)个分别沿X向和Y向布置的粘滞阻尼器，如果实际筛选出的粘滞 阻尼器的数量n = N(i)，则令flag = 0,转步骤(8)，否则令以1+1)=以1)，转步骤(9)。
[0026]所述的平均耗能的计算方式如下：
[0027] 如果以50年一遇风荷载下附加阻尼比为约束条件，平均耗能=50年一遇风荷载下 各组粘滞阻尼器的总耗能/本组粘滞阻尼器数量；
[0028] 如果以小震下附加阻尼比为约束条件，当输入3条小震波时，平均耗能=附加阻尼 比计算值最小的小震波下各组粘滞阻尼器的总耗能/本组粘滞阻尼器数量；当输入7条小震 波时，平均耗能=各组粘滞阻尼器在7条小震波下的总耗能/7/本组粘滞阻尼器数量。
[0029]所述的步骤(8)具体为：
[0030] (801)统计历次迭代的粘滞阻尼器数量与本次迭代的粘滞阻尼器数量相同的个 数，如果相同的个数为1，则执行步骤(802)，并转步骤(804);否则，执行步骤(803);
[0031] (802)按照式(5a)、式（5b)及式(5c)计算满足附加阻尼比、最大出力、最大功率约 束条件的阻尼系数
[0035] (803)按照式(6a)、式(6b)及式(6c)计算满足附加阻尼比、最大出力、最大功率约 束条件的阻尼系数
[0039] (804)取&，C2，C3三个值的最小值C min作为新的阻尼系数；
[0040] 其中，[F]为中震下粘滞阻尼器的最大出力的限值，[P]为50年一遇风下粘滞阻尼 器最大功率的限值。
[0041] 所述的步骤(9)具体为:如果满足①②③中的任意一个条件，则优化结束，否则转 步骤(10)，
[0044] ③迭代次数超过设定最大迭代次数，
[0045] 其中，[F]为中震下粘滞阻尼器的最大出力的限值，[P]为50年一遇风下粘滞阻尼 器最大功率的限值。
[0046] 所述的步骤(11)具体为:如果满足条件
，则令A(k)=A(k_l)，B(k) = N(i)，m=j，其中，j满足条件N(j)=A(k)(j = l，2,3~i)，并按照式⑵估算满足附加阻尼比 要求的粘滞阻尼器数量λ(1〇，并转步骤(7);
[0047] 如果满足条件④且满足条件⑤或⑥中的任意一个，或者仅满足条件⑦，则令flag = flag+l，A(k) =N(i)，B(k)=N(m)，m= j，其中，j取在 N( j)>N(i)( j =