一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统与流程

1.本发明涉及一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统，属于土木工程领域中的减隔震结构设计领域。


背景技术：

2.减隔震设计时，时程分析是必不可少的环节，而合理的、适合所在场地条件的地震动输入是开展结构时程分析的前提条件。各国学者均对时程分析的地震动选取开展研究、提出各类选波方法，我国在地震动选取时，现行《建筑抗震设计规范》根据弹性时程分析和振型分解反应谱法得到的结构底部剪力计算结果，并结合地震影响系数曲线，判断地震动的适用程度。该计算方法计算量较大，特别是超高层结构和复杂结构，并且对于减隔震结构，在设计后结构周期的改变，抗震结构所得到的地震动将不适用于减隔震设计后的地震动。同时，fema p695即《quantification of building seismic performance factors》，建筑抗震性能化量化因素，采用方差控制，考虑场地地震环境特征要素进行地震波的选取，可以根据结构多阶振型周期实施方差控制，得到所需的地震波，但由于控制限制小，导致地震波反应谱与规范设计谱拟合度较低，降低选波效率。
3.另一方面，现行《建筑抗震设计规范》规定，一般情况下宜采用时程分析法进行计算设计，在进行隔震设计时，应满足隔震层布置要求，满足设防地震作用下目标减震系数要求，在罕遇地震作用下，还需验证支座拉压应力和隔震层位移等指标。因此，在设防地震验算和罕遇地震验算时，只要有一个指标不满足要求，即需重新调整隔震布置方案，进行反复迭代验算，当模型较大时，计算时间长，大幅降低了隔震设计效率。
4.因此，现有的规范规定的地震动选取方法，以及减隔震设计分析方法均存在改进之处，同时传统的减隔震设计方法计算时间长，迭代次数多，导致减隔震设计计算效率低等问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统，一方面，基于所建立的地震波数据库，高效准确地选取适用于减隔震结构的地震波，解决目前选波不准确和耗时长等问题，另一方面，基于设防地震和罕遇地震规范设计谱，开展谱减震系数评价和谱隔震层位移评价等多指标评价，高效地确定减隔震设计方案，解决时程分析过程中的反复迭代次数，提高减隔震设计，二者综合形成高效设计方法及系统，实现一体化操作流程，并适用于各地区高效减隔震设计推广应用。
6.本发明提供了如下的技术方案：
7.一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统，包括如下步骤：
8.(1)地震波数据库建立；
9.(2)初步布置减隔震方案，计算减隔震结构周期延长和附加阻尼比；
10.(3)根据现行国家抗震规范，确定特定地区场地规范设计谱；
11.(4)根据多频段控制法在地震波数据库优选地震波；
12.(5)根据周期点，系统计算规范设计谱与地震波反应谱拟合度；
13.(6)结合设防与罕遇地震设计反应谱，系统多指标评价减隔震方案效果；
14.(7)根据评价结果修改方案，至满足系统评价要求；
15.(8)开展有限元软件减隔震分析验证，完成减隔震设计。
16.优选的，所述步骤(1)地震波数据库适合于各个地区的特定场地地震波备选。
17.优选的，所述步骤(2)的初步计算需工程师根据现有结构模型初步布置减隔震方案，得到初算隔震后周期与减震结构等效阻尼比，并结合减隔震前结构动力特性，作为选波控制点。
18.优选的，所述步骤(4)的所述多频段控制法即根据计算精度要求，根据减隔震初算结果，考虑有限元分析结构振型周期分布，结合所述步骤(2)的选波控制点，设置多个频段控制，要求所选地震记录加速度谱在该段的均值与设计反应谱相差不超过20％。
19.优选的，所述步骤(5)的拟合度要求结构减隔震前后主要振型的周期点上相差不大于20％，满足规范在统计意义上相符的要求。
20.优选的，所述步骤(6)的多指标评价，基于规范加速度反应谱和规范位移反应谱，对于隔震结构包括设防地震作用下谱隔震系数评价、罕遇地震作用下谱隔震层位移评价，对于减震结构包括多遇地震作用下谱减震位移评价、设防地震作用下谱减震系数评价以及罕遇地震作用下谱减震位移评价。
21.优选的，所述步骤(7)的修改减隔震方案即本系统的迭代部分，替代了传统减隔震设计的设防地震或罕遇地震计算不满足规范要求的反复迭代，计算效率大幅提升；基于超算中心，该系统可将迭代部分转移到有限元分析后，以提高计算准确度。
22.优选的，所述步骤(8)的有限元减隔震分析验证，为设防地震作用和罕遇地震作用下的数值分析，由于已通过多指标分析，因此该分析将不需反复迭代，仅需作为数值模拟验证。
23.本发明所述的一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统具有如下有益效果：
24.(1)本发明的一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统，基于所建立的地震波数据库，根据减隔震前后结构动力特性，高效准确地选取适用于减隔震结构的地震波，解决了目前选波不准确和耗时长等问题。
25.(2)本发明的一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统，基于设防地震和罕遇地震规范设计谱，包括加速度反应谱和位移反应谱，开展谱减隔震系数评价和谱减隔震位移评价等多指标评价，高效地确定减隔震设计方案，为结构初步设计提供理论基础。
26.(3)本发明的一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统，采用修改减隔震方案即本系统的迭代部分，替代了传统减隔震设计的设防地震或罕遇地震计算不满足规范要求的反复迭代，计算效率大幅提升，适用于各类结构设计，也不需超高性能计算机开展工作，只需开展目前的有限元分析验证。
27.(4)本发明的一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统，可基于超算中心，将修改减隔震方案即本系统的迭代部分，放在有限元分析后进行，进一步提高计算准确度，由于该系统依靠超算服务器，因此采用该实施方案对硬件要求较高。
28.(5)本发明的一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统，实现选波、设计、计算
一体化操作流程，优化了地震波选取的适用性，提高了减隔震分析效率，并适用于各地区高效减隔震设计推广应用。
附图说明
29.图1为本发明一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统实施例一的计算布置示意；
30.图2为本发明一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统实施例二的计算布置示意；
31.图3为隔震分析规范设防地震作用下加速度反应谱评价；
32.图4为隔震分析规范罕遇地震作用下位移反应谱评价；
33.图5为减震分析规范多遇地震作用下位移反应谱评价
34.图6为减震分析规范设防地震作用下加速度反应谱评价；
35.图7为减震分析规范罕遇地震作用下位移反应谱评价。
具体实施方式
36.下面通过实施例、附图进一步说明本发明。
37.本发明公开了一种减隔震结构选波及高效设计系统。所述系统包括：地震波数据库建立；初步布置减隔震方案，计算减隔震结构周期延长和附加阻尼比；确定某场地规范设计谱；根据多频段控制法在地震波数据库优选地震波；系统计算规范设计谱与地震波反应谱拟合度；结合设防与罕遇地震设计反应谱，系统多指标评价减隔震方案效果；根据评价结果修改方案，至满足系统评价要求；开展有限元软件减隔震分析验证；完成减隔震设计。本发明实现了一种高效率的减隔震设计方法，并提供设计分析评价系统，实现一体化操作流程，提高了计算分析效率，减少减隔震设计过程中反复迭代次数，并适用于各地区高效减隔震设计推广应用。
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
39.实施例1：
40.参见图1、图3、图4、图5和图6，仅作为例子。
41.如图1所示，一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统，包括如下步骤：
42.(1)地震波数据库建立；
43.(2)初步布置减隔震方案，计算减隔震结构周期延长和附加阻尼比；
44.(3)根据现行国家抗震规范，确定特定地区场地规范设计谱；
45.(4)根据多频段控制法在地震波数据库优选地震波；
46.(5)根据周期点，系统计算规范设计谱与地震波反应谱拟合度；
47.(6)结合设防与罕遇地震设计反应谱，系统多指标评价减隔震方案效果；
48.(7)根据评价结果修改方案，至满足系统评价要求；
49.(8)开展有限元软件减隔震分析验证，完成减隔震设计。
50.所述步骤(1)的所述地震波数据库适合于各个地区的特定场地地震波备选。
51.所述步骤(2)的初步计算需工程师根据现有结构模型初步布置减隔震方案，得到
初算隔震后周期与减震结构等效阻尼比，并结合减隔震前结构动力特性，作为选波控制点。
52.所述步骤(4)的所述多频段控制法即根据计算精度要求，根据减隔震初算结果，考虑有限元分析结构振型周期分布，结合所述步骤(2)的选波控制点，设置多个频段控制，要求所选地震记录加速度谱在该段的均值与设计反应谱相差不超过20％。
53.所述步骤(5)的所述拟合度要求结构减隔震前后主要振型的周期点上相差不大于20％，满足规范在统计意义上相符的要求。
54.所述步骤(6)的所述多指标评价，基于规范加速度反应谱和规范位移反应谱。
55.参见图3和图4，对于隔震结构包括设防地震作用下谱隔震系数评价、罕遇地震作用下谱隔震层位移评价，以图3为例设防谱隔震系数(r1)和罕遇谱隔震层位移(r2)分别计算按下式，其中sa表示：加速度反应谱值；sd表示：位移反应谱值。
[0056][0057][0058]
其中，设防谱隔震系数用于评价设防地震作用下隔震目标，即上部结构降度目标；罕遇谱隔震层位移用于验算罕遇地震作用下隔震层位移，以及隔震沟的设计。
[0059]
参见图5和图6，对于减震结构包括多遇地震作用下谱减震位移评价、设防地震作用下谱减震系数评价、罕遇地震作用下谱减震位移评价，以图3为例多遇谱减震位移(r3)、设防谱减震系数(r4)和罕遇谱隔震层位移(r5)分别计算按下式：
[0060][0061][0062][0063]
其中，多遇谱减震位移用于评价地震作用下减震目标，进而评估上部结构等效阻尼比；设防谱减震系数用于评价设防地震作用下上部结构加速度减震效果；罕遇谱减震位移用于验算罕遇地震作用下上部结构位移减震效果。
[0064]
所述步骤(7)的所述修改减隔震方案即本系统的迭代部分，替代了传统减隔震设计的设防地震或罕遇地震计算不满足规范要求的反复迭代，计算效率大幅提升，适用于各类结构设计，也不需超高性能计算机开展工作，只需开展目前的有限元分析验证。
[0065]
所述步骤(8)的有限元减隔震分析验证，为设防地震作用和罕遇地震作用下的数值分析，由于模型已通过多指标分析，因此该分析将不需反复迭代，仅需作为数值模拟验证。
[0066]
实施例2：
[0067]
参见图2，仅作为例子。
[0068]
如图1所示，一种减隔震结构选波及高效设计方法及系统，包括如下步骤：
[0069]
(1)地震波数据库建立；
[0070]
(2)初步布置减隔震方案，计算减隔震结构周期延长和附加阻尼比；
[0071]
(3)根据现行国家抗震规范，确定特定地区场地规范设计谱；
[0072]
(4)根据多频段控制法在地震波数据库优选地震波；
[0073]
(5)根据周期点，系统计算规范设计谱与地震波反应谱拟合度；
[0074]
(6)基于超算服务器，开展有限元软件减隔震分析，根据有限元结果修改迭代设计方案，至满足系统有限元控制指标要求；
[0075]
(7)完成减隔震设计。
[0076]
所述步骤(1)的所述地震波数据库适合于各个地区的特定场地地震波备选。
[0077]
所述步骤(2)的初步计算需工程师根据现有结构模型初步布置减隔震方案，得到初算隔震后周期与减震结构等效阻尼比，并结合减隔震前结构动力特性，作为选波控制点。
[0078]
所述步骤(4)的所述多频段控制法即根据计算精度要求，根据减隔震初算结果，考虑有限元分析结构振型周期分布，结合所述步骤(2)的选波控制点，设置多个频段控制，要求所选地震记录加速度谱在该段的均值与设计反应谱相差不超过20％。
[0079]
所述步骤(5)的所述拟合度要求结构减隔震前后主要振型的周期点上相差不大于20％，满足规范在统计意义上相符的要求。
[0080]
所述步骤(6)的所述开展有限元软件减隔震分析，基于超算中心服务器，通过硬件措施提高计算效率，所述修改迭代设计方案即本系统的迭代部分，即减隔震设计的设防地震或罕遇地震计算不满足规范要求的反复迭代，基于超算中心服务器，计算效率也可大幅提升，适用于各类结构设计，但其硬件要求较高。
[0081]
以上是本发明的典型实例，本发明的实施不限于此。
[0082]
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。