一种钢筋混凝土框架结构基于能量的消能减震设计方法

本发明涉及建筑领域，具体是一种钢筋混凝土框架结构基于能量的消能减震设计方法。

背景技术：

1、地震作用下输入结构的总能量，部分通过结构本身的阻尼消耗，剩下的能量一部分通过结构的动能和弹性应变能储存在结构中，另一部分以结构构件的塑性滞回耗能消耗，而滞回耗能是引起结构损伤的原因。传统的钢筋混凝土抗震结构采取“硬抗”的思想，靠自身的强度抵抗地震力，这种方法以保护生命安全为主要目标，实现“大震不倒”。但利用结构自身承重构件的塑性变形来耗散地震能量，会导致结构构件的损伤和残余变形，使结构无法修复后继续使用，在震后只能拆除重建，无法重复利用，经济损失较大。

2、为解决这一问题，可以在抗震结构中增加阻尼器，通过阻尼器提高结构在强震下的耗能能力，减少结构构件的塑性损伤。地震后只需要检查耗能阻尼器，并根据需求更换，使得结构经过简单修复即可继续正常使用，实现“大震可修”的性能目标。地震对结构的作用是一种能量的传递、转化与消耗的过程。对于给定的结构，地震输入到结构的能量是一个稳定量，是结构抗震能力的总需求指标。基于能量的抗震设计的目标旨在使结构的总耗能能力大于地震输入能量，因此相比传统的基于承载力和基于位移的抗震设计方法，基于能量的抗震设计方法能更全面地反映结构抗震的本质。目前已有的减震设计方法如公开号“cn103161347a”所述，虽然可评估设防地震烈度水平下的消能减震结构性能抗震设计是否整体满足要求，但是实际地震过程中，建筑每层的耗能需求均存在差异，现有设计方法无法计算各层耗能阻尼器的最低布置数量，只能通过耗能阻尼器数量的不断叠加来满足抗震设计要求，消能减震成本较高，因此亟待解决。

技术实现思路

1、为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种钢筋混凝土框架结构基于能量的消能减震设计方法。本发明通过计算可获得满足设计抗震目标时，建筑每层耗能阻尼器的最低布置数量，大幅降低了建筑的消能减震成本。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种钢筋混凝土框架结构基于能量的消能减震设计方法，包括如下步骤：

4、s1、计算结构的实际能量损伤指标λ，将结构的实际能量损伤指标λ与结构的目标能量损伤指标i作对比；

5、当λ>i时，结构耗能能力无法满足性能目标，需补充阻尼器，进入步骤s2；

6、当λ<i时，结构的耗能能力可以满足性能目标，无需增加阻尼器；

7、s2、计算阻尼器的总滞回耗能ehd，将其按需求分配至各楼层，计算每一层全部阻尼器所需提供的滞回耗能ehi；

8、s3、计算单个阻尼器的滞回耗能ehd,i，根据每一层全部阻尼器所需提供的滞回耗能ehi，得出每一层布置阻尼器的个数。

9、作为本发明进一步的方案：步骤s2中：

10、ehd＝e'c-ec

11、e'c＝eh/i

12、其中，e'c为结构增设阻尼器后的耗能能力；

13、ec为结构未增设阻尼器时的耗能能力；

14、eh为结构的累积滞回耗能需求。

15、作为本发明再进一步的方案：结构的累积滞回耗能需求eh通过如下步骤计算：

16、s21、将结构的多自由度体系等效为单自由度体系，计算单自由度体系的地震输入能ei,sdof：

17、

18、其中，me为单自由度体系的等效质量；

19、ve为单自由度体系的等效速度；

20、n为结构的总层数；

21、i表示结构的第i层；

22、mi为多自由度体系在第i层的质量；

23、为多自由度体系在第i层的振幅；

24、s22、计算多自由度体系的地震输入能ei,mdof：

25、

26、其中，cm和η均为修正系数；

27、s23、根据多自由度体系的地震输入能ei,mdof计算结构的累积滞回耗能需求eh：

28、

29、其中，ξ为比例系数。

30、作为本发明再进一步的方案：每一层全部阻尼器所需提供的滞回耗能ehi为：

31、

32、

33、其中，epi为结构第i层的塑性变形能；

34、fyi为结构第i层的屈服承载力；

35、fpi为结构第i层的极限承载力；

36、θyi为结构第i层的屈服位移角；

37、θpi为结构第i层的极限位移角；

38、hi为结构第i层的层高。

39、作为本发明再进一步的方案：步骤s3中，单个阻尼器的滞回耗能ehd,i为：

40、ehd,i＝γepd,i

41、其中，γ表示能量修正系数；

42、epd,i表示单个阻尼器的塑性变形能。

43、作为本发明再进一步的方案：当阻尼器为摩擦阻尼器时，epd,i为：

44、epd,i＝4fydu

45、当阻尼器为金属阻尼器时，epd,i为：

46、epd,i＝4(du-dy)[akdy-fy]

47、其中，fy为阻尼器的屈服承载力；

48、dy为阻尼器的屈服位移；

49、du为阻尼器的极限位移；

50、k为金属阻尼器的初始刚度；

51、a为金属阻尼器的屈服后刚度和初始刚度比。

52、作为本发明再进一步的方案：目标能量损伤指标i为：

53、

54、其中，ei为结构在不同损伤等级时的塑性耗能；

55、ec为结构在倒塌极限位移角时的耗能能力。

56、作为本发明再进一步的方案：以1/50层间位移角对应的累积滞回耗能为ec；目标能量损伤指标i取值为0.2，此时目标能量损伤指标i所对应的性能目标为结构可以修复。

57、一种电子设备，其特征在于，包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器依次连接，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行所述的一种钢筋混凝土框架结构基于能量的消能减震设计方法。

58、一种可读存储介质，该存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使处理器执行所述的一种钢筋混凝土框架结构基于能量的消能减震设计方法。

59、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

60、1、本发明通过计算可获得满足设计抗震目标时，建筑每层耗能阻尼器的最低布置数量，大幅降低了建筑的消能减震成本，可提高结构的总耗能能力，从能量角度控制结构的损伤状态，相较于传统的抗震设计方法，能更全面地反映结构抗震的本质。

61、2、本发明通过计算主体结构在地震作用下的耗能需求和耗能能力，分析需要设置的阻尼器的设计参数和布置数量，提高结构在强震下的耗能能力，实现结构在震后可修的性能目标。