隔震结构实振型分解反应谱法的计算精度分析及改进
0 引言
隔震结构是在房屋基础和上部结构之间设置隔震层, 以延长结构的自振周期, 减少输入上部结构的地震作用, 达到预期减震的目的。隔震层通常由橡胶支座和阻尼装置等部件组成, 与上部结构的阻尼特性完全不同, 因此, 隔震结构具有非比例阻尼特性。由于阻尼矩阵对于实振型不再正交, 若采用实振型分解反应谱法进行求解, 在实振型分解过程中忽略了阻尼对振型的影响, 必然会带来较大误差, 所以我国建筑抗震设计规范要求, 隔震结构一般情况下宜采用时程分析法进行计算。但地震波的选择会对时程分析法的计算结果产生较大影响, 对于一般工程设计人员, 选择合适的地震波较为困难。而在编的建筑隔震设计规范规定, 隔震结构也可采用复振型分解反应谱法进行计算
隔震结构实振型分解反应谱法已有较多研究, 杜永峰等
1 实振型分解反应谱法的理论背景
隔震结构的运动方程可写为:
式中:M, C, K和
再将X=ΦY代入式 (1) , 其中Φ为振型, 得:
在式 (2) 两侧左乘ΦT, 得:
根据振型Φ关于质量和刚度的正交性, 可得:
式中M*, K*均为对角阵, M*i=ΦTiMΦi, K*i=ΦTiKΦi。
对于隔震结构, 振型Φ与阻尼矩阵不正交, 即C*=ΦTCΦ不是对角阵。通常采用强制解耦法
经过这样的简化处理, 式 (4) 可写为多个单自由度的运动方程:
式中C*i为对角阵,
因此, 采用振型分解反应谱法时, 第j阶振型第i质点的水平地震作用标准值为:
式中:γj为第j阶振型的参与系数;Xji为第j阶振型i质点的水平相对位移;Gi为集中于i质点的重力荷载代表值;αj为相应于第j阶振型自振周期的地震影响系数, αj的值除与第j周期有关外, 还与第j阶振型阻尼比ζj有关。由于隔震结构具有非比例阻尼, 进行实振型分解时, 不同的振型阻尼比计算方法, 会导致不同的振型阻尼比ζj。此外, 隔震结构为长周期、大阻尼结构, 而我国规范的设计反应谱实质上为绝对加速度反应谱, 用规范反应谱得到的隔震结构地震作用大于弹性内力
所以, 采用实振型分解反应谱法求解隔震结构响应时, 除了对阻尼矩阵采用强制解耦的计算方法带来的误差外, 主要还有三方面的因素会导致与时程分析法的结果不一致:1) 隔震层的等效线性化;2) 振型阻尼比值;3) 反应谱。以下分别讨论这三种因素对隔震结构实振型反应谱法的计算精度影响, 并由此给出了相对计算可靠的隔震结构实振型分解反应谱法。
2 各影响因素对计算精度的影响及改进
2.1 等效线性化方法
中国规范采用割线刚度法
中国规范:
平均刚度阻尼法:
日本规范:
美国加州规范:
Hwang法:
式中:keq为水平等效刚度;ξeq为等效黏滞阻尼比; α=k2/k1, 其中k2为屈服后刚度, k1为屈服前刚度;μ为延性系数, μ=x2/x1, 其中x2为极限位移, x1为屈服位移。
为研究各等效线性化方法的计算精度, 本文选取了两个实际的隔震工程案例。工程概况如表1所示, 隔震支座的性能参数如表2所示, 隔震支座平面布置图如图1所示。
两个实际隔震工程的工程概况 表1
参数 |
工程1 | 工程2 |
建筑平面 |
矩形 (规则) | L形 (不规则) |
建筑高度/m |
18.6 | 16.2 |
层数 |
地上5层 | 地上4层, 局部5层 |
上部结构 |
钢筋混凝土框架 | 钢筋混凝土框架 |
设防烈度 |
8度 | 8度 |
设计基本加速度 |
0.3g | 0.2g |
设计地震分组 |
第二组 | 第三组 |
场地类别 |
Ⅱ类 | Ⅱ类 |
场地特征周期/s |
0.4 | 0.45 |
隔震支座性能参数 表2
工程 | 型号 | 个数 |
竖向刚度 / (kN/mm) |
屈服力 /kN |
屈服前刚度 / (kN/mm) |
屈服后刚度/ (kN/mm) |
|
γ=100% |
γ=250% | ||||||
1 |
LRB500 | 32 | 1 839 | 62.6 | 8.068 | 0.807 | 0.642 |
LNR500 |
6 | 1 525 | — | — | — | — | |
2 |
LRB600 | 30 | 2 445 | 90.2 | 9.294 | 0.929 | 0.739 |
LRB700 |
9 | 3 259 | 122.7 | 10.843 | 1.084 | 0.862 | |
LNR600 |
13 | 2 097 | — | — | — | — |
注:γ表示隔震支座剪切变形。
采用实振型分解反应谱法求解隔震结构的动力响应时, 先假设隔震层的极限位移, 分别用以上5种方法对隔震支座进行等效线性化, 求得隔震层的等效线性化参数, 再按实振型分解反应谱法计算结构的动力响应, 得到隔震层位移, 再以此作为新的假设位移, 重复以上过程, 直至隔震层位移收敛, 最终求得的隔震层参数, 见表3。
从表3可看出, 采用我国规范的方法求得的等效黏滞阻尼比最小, 平均刚度阻尼法求得的水平等效刚度最大, 其余各方法得到的等效参数值较为接近。
不同等效线性化方法求得的隔震层参数 表3
不同等效 线性化方法 |
中国 规范 |
平均刚度 阻尼法 |
日本 规范 |
美国加 州规范 |
Hwang法 | |
工程 1 |
Kh/ (kN/mm) |
30.10 | 68.44 | 33.61 | 26.89 | 32.11 |
ζeq/% |
10.78 | 21.45 | 15.94 | 20.94 | 20.08 | |
工程 2 |
Kh/ (kN/mm) |
49.61 | 114.85 | 54.98 | 46.43 | 52.43 |
ζeq/% |
11.06 | 20.92 | 15.81 | 18.68 | 18.89 |
为了与时程分析法的计算结果进行对比, 验证实振型分解反应谱法的准确性, 时程分析时选用一条按照阻尼比5%的规范设计谱拟合出的人工波, 该人工波的反应谱与规范设计反应谱在结构主要周期点的误差均不大于5%。两隔震工程所用人工波的加速度时程及对应的反应谱如图2所示。
两工程基于不同等效线性化方法的实振型分解反应谱法与时程分析法的计算结果对比分别如表4、表5所示。
工程1与工程2实振型分解反应谱法与时程分析法剪力计算结果对比 表4
楼层 |
时程分析法 计算剪力 /kN |
实振型分解反应谱法 |
||||||||||
我国规范 |
平均刚度阻尼法 | 日本规范 | 美国加州规范 | Hwang法 | ||||||||
剪力/kN |
误差/% | 剪力/kN | 误差/% | 剪力/kN | 误差/% | 剪力/kN | 误差/% | 剪力/kN | 误差/% | |||
工程1 |
5 |
1 145 | 1 510 | 31.9 | 1 597 | 39.5 | 1 395 | 21.8 | 1 295 | 13.1 | 1 320 | 15.3 |
4 |
2 576 | 3 398 | 31.9 | 3 593 | 39.5 | 3 138 | 21.8 | 2 914 | 13.1 | 2 970 | 15.3 | |
3 |
4 028 | 5 313 | 31.9 | 5 616 | 39.4 | 4 907 | 21.8 | 4 558 | 13.1 | 4 644 | 15.3 | |
2 |
5 490 | 7 240 | 31.9 | 7 654 | 39.4 | 6 688 | 21.8 | 6 211 | 13.1 | 6 329 | 15.3 | |
1 |
7 061 | 9 313 | 31.9 | 9 846 | 39.4 | 8 602 | 21.8 | 7 989 | 13.1 | 8 142 | 15.3 | |
隔震层 |
8 842 | 11 657 | 31.8 | 12 331 | 39.5 | 10 772 | 21.8 | 10 000 | 13.1 | 10 195 | 15.3 | |
工程2 |
5 |
992 | 1 204 | 21.4 | 1 185 | 19.4 | 1 136 | 14.6 | 1 089 | 9.8 | 1 095 | 10.4 |
4 |
4 309 | 5 231 | 21.4 | 5 147 | 19.4 | 4 936 | 14.6 | 4 730 | 9.8 | 4 757 | 10.4 | |
3 |
7 823 | 9 497 | 21.4 | 9 345 | 19.4 | 8 962 | 14.6 | 8 587 | 9.8 | 8 635 | 10.4 | |
2 |
11 190 | 13 584 | 21.4 | 13 366 | 19.4 | 12 819 | 14.6 | 12 283 | 9.8 | 12 352 | 10.4 | |
1 |
14 391 | 17 470 | 21.4 | 17 190 | 19.4 | 16 486 | 14.6 | 15 797 | 9.8 | 15 886 | 10.4 | |
隔震层 |
18 318 | 22 237 | 21.4 | 21 881 | 19.4 | 20 985 | 14.6 | 20 108 | 9.8 | 20 220 | 10.4 |
注:误差= (实振型分解反应谱法-时程分析法) /时程分析法×100%。
工程1与工程2实振型分解反应谱法与时程分析法位移计算结果对比 表5
楼层 |
时程分析法 计算位移 /mm |
实振型分解反应谱法 |
||||||||||
我国规范 |
平均刚度阻尼法 | 日本规范 | 美国加州规范 | Hwang法 | ||||||||
位移/mm |
误差/% | 位移/mm | 误差/% | 位移/mm | 误差/% | 位移/mm | 误差/% | 位移/mm | 误差/% | |||
工程1 |
5 |
296 | 417 | 40.9 | 211 | -28.6 | 348 | 17.7 | 398 | 34.5 | 344 | 16.2 |
4 |
294 | 414 | 41.1 | 208 | -29.1 | 346 | 17.7 | 396 | 34.7 | 341 | 16.2 | |
3 |
289 | 409 | 41.2 | 202 | -30.1 | 340 | 17.7 | 391 | 35.0 | 336 | 16.3 | |
2 |
283 | 400 | 41.5 | 193 | -31.7 | 333 | 17.6 | 384 | 35.6 | 329 | 16.3 | |
1 |
276 | 391 | 41.6 | 184 | -33.4 | 324 | 17.4 | 376 | 36.0 | 321 | 16.3 | |
隔震层 |
270 | 383 | 41.9 | 175 | -35.0 | 317 | 17.4 | 369 | 36.7 | 314 | 16.4 | |
工程2 |
5 |
376 | 513 | 36.6 | 246 | -34.6 | 440 | 17.1 | 488 | 30.0 | 441 | 17.4 |
4 |
368 | 501 | 36.1 | 238 | -35.3 | 430 | 16.8 | 479 | 30.2 | 431 | 17.3 | |
3 |
362 | 492 | 36.1 | 230 | -36.3 | 422 | 16.6 | 471 | 30.3 | 424 | 17.2 | |
2 |
353 | 481 | 36.3 | 219 | -37.8 | 411 | 16.5 | 461 | 30.7 | 414 | 17.2 | |
1 |
341 | 466 | 36.7 | 205 | -40.0 | 397 | 16.4 | 448 | 31.2 | 400 | 17.3 | |
隔震层 |
326 | 446 | 36.9 | 187 | -42.6 | 379 | 16.3 | 431 | 32.1 | 383 | 17.5 |
注:误差= (实振型分解反应谱法-时程分析法) /时程分析法×100%。
从表4、表5均可发现, 隔震层采用不同的等效线性化方法, 对实振型分解反应谱法的计算精度影响较大。对于工程1, 采用我国规范法求得的位移误差最大, 为41.9%, 采用平均刚度阻尼法求得剪力误差最大, 为39.5%, 采用美国加州规范法求得的楼层剪力误差最小, 为13.1%, 采用Hwang法求得的楼层位移误差最小, 为16.4%。综合楼层剪力和楼层位移的结果, 可看出, 采用日本规范法和Hwang法求得计算结果误差均较小, 其中Hwang法的计算结果最准确。工程2与工程1有类似的规律, 虽然工程2上部结构不规则而工程1上部结构规则, 但无论结构是否规则, 影响实振型分解反应谱法计算结果的主要因素是计算方法而不是结构特性。
所以, 从以上实例可看出, 用我国规范法和平均刚度阻尼法求得的计算误差最大, 美国加州规范法求得的楼层剪力误差最小但位移误差较大, 综合来看, 日本规范法和Hwang法求得计算结果误差均较小, 其中Hwang法更为准确, 建议采用Hwang法进行隔震层的等效线性化。但即使采用Hwang法后, 实振型分解反应谱法与时程分析法相比, 计算误差仍为10%~20%, 所以仍需要对实振型分解反应谱法做进一步的改进, 才能满足工程设计的要求。
此外, 需要注意的是, 时程分析用的人工波并未考虑隔震结构的阻尼比, 因为通过计算发现, 按照阻尼比20%的规范设计谱拟合出的人工波进行时程分析, 比采用阻尼比5%的规范设计谱拟合的人工波进行时程分析, 工程1的楼层剪力和楼层位移减小约22%~24%, 工程2的楼层剪力和楼层位移减小约17%~20%, 因此, 采用阻尼比为20%的规范设计谱拟合的人工波进行时程分析, 即使与采用Huang法的实振型分解反应谱法的结果相比, 计算误差也增大到37%~54%。从本文的计算结果来看, 不宜按调整阻尼比后的规范反应谱进行选波, 否则时程分析会大大低估结构的响应。
2.2 振型阻尼比
采用实振型分解反应谱法计算隔震结构动力响应时, 需确定结构的各阶振型阻尼比。考虑到隔震结构的反应以1阶振型为主, 同时, 隔震结构的阻尼主要由隔震层阻尼来确定, 所以, 用Hwang法求得隔震层的阻尼比, 作为整个结构的阻尼比, 且各阶振型阻尼比相同, 直接给定隔震结构各阶阻尼比均为隔震层阻尼比, 简称指定阻尼比法。
文献
式中:ζj为隔震结构第j阶振型阻尼比;ζ1, K1, ϕj1分别为隔震层结构的阻尼比、刚度矩阵以及与隔震层结构相关的振型向量;ζ2, K2, ϕj2分别为上部结构的阻尼比、刚度矩阵以及与上部结构相关的振型向量;ϕj为整个结构的振型向量。
为验证本文指定阻尼比法的合理性, 以工程1为例, 分别采用指定阻尼比法和应变能加权平均法确定结构的振型阻尼比, 两种方法求得的结构前6阶振型阻尼比见表6, 表6中方法1为指定阻尼比法, 方法2为应变能加权平均法。
不同计算方法求得工程1的前6阶振型阻尼比 表6
计算方法 |
第1阶 | 第2阶 | 第3阶 | 第4阶 | 第5阶 | 第6阶 |
方法1 |
20.08 | 20.08 | 20.08 | 20.08 | 20.08 | 20.08 |
方法2 |
19.35 | 19.28 | 13.25 | 5.77 | 5.55 | 5.00 |
从表6可以看出, 两种方法求得的前2阶振型阻尼比相当接近, 相差不超过0.8%, 第3阶振型为扭转振型, 相差不超过6.83%, 之后的各阶振型阻尼比用应变能加权平均法求得的结果均接近5%, 也就是说, 采用应变能加权平均法求得的隔震结构的前三阶振型阻尼比约等于隔震层的阻尼比, 更高阶的振型阻尼比约等于上部结构阻尼比。这与文献
用以上两种方法得到振型阻尼比后, 再用实振型分解反应谱法求得的结构动力响应, 如表7所示。由于采用Hwang法求得的不同层的计算误差几乎相等, 所以表7中仅列出隔震层。
不同振型阻尼比对实振型分解反应谱法计算结果影响 表7
楼层剪力/kN |
楼层位移/mm | ||||
应变能加 权平均法 |
指定阻 尼比法 |
误差 /% |
应变能加 权平均法 |
指定阻 尼比法 |
误差 /% |
10 387 |
10 195 | 1.9 | 318 | 314 | 1.3 |
注:误差= (应变能加权平均结果-指定阻尼比结果) /指定阻尼比结果。
从表7可以看出, 应变能加权平均法的计算结果略大于指定阻尼比法, 原因是指定阻尼比法是用第1阶阻尼比代替其他阶阻尼比。不同阻尼比的计算方法对实振型分解反应谱法的计算结果影响很小, 隔震结构的反应仍受低阶振型控制。因此, 对隔震结构而言, 用何种阻尼比计算方法, 不会对计算结果有太大影响, 简化起见, 用隔震层的等效阻尼比作为整个结构的阻尼比, 完全可满足工程设计要求。
考虑到工程1, 2均为多层隔震结构, 为验证以上结论对高层隔震结构仍然适用, 另选取一个高层隔震结构, 该结构平面为矩型, 建筑高度44.1m, 地上11层, 局部12层, 其中1层层高4.5m, 2, 3层均为4.2m, 4~11层均为3.9m, 12层为局部突出屋面的楼梯间, 高3.7m。上部结构为钢筋混凝土框架-剪力墙, 隔震支座平面布置如图3所示。
图3 工程3隔震支座平面布置图
对该高层隔震结构分别采用指定阻尼比法和应变能加权平均法进行计算, 计算结果的规律与表6和表7类似。对于本文给出的高层隔震结构实例, 两种方法求得的前2阶振型阻尼比相差不超过1.38%, 第3阶振型相差为4.34%。基于指定阻尼比法与基于应变能加权平均法求得的结构响应相比, 最大误差为3.2%, 与工程1最大误差1.9%的结果相比, 误差增大。说明高层隔震结构的高振型反应比低层隔震结构要大, 但即使如此, 采用指定阻尼比法的计算误差也不超过5%。对于高层隔震结构, 结构反应仍由低阶振型控制, 采用指定阻尼比法仍可满足设计要求。
2.3 设计反应谱
用振型分解反应谱法计算结构的地震响应时, 是采用反应谱将地震作用等效为静力, 再按弹性静力方法进行求解。其中, 我国抗震规范的设计反应谱实质上是绝对加速度反应谱
结构等效静力为:
式中k为结构的刚度。
将刚度k用质量m表示, 则:
式中A (t) =ω2nx (t) , 称为伪加速度。
注意, 结构的等效静力fS (t) 是质量m乘以伪加速度A (t) , 而不是绝对加速度
同时, 还可定义伪速度谱为:
按照位移谱, 伪速度谱和伪加速度谱, 利用三联谱, 标定出设计反应谱。由于伪加速度谱与位移谱的关系不是基于小阻尼比情况下的近似关系, 而是准确值, 所以, 用伪加速度反应谱得到的结构响应是真实的。而隔震结构的阻尼比达到20%左右, 因此, 用基于伪加速度反应谱标定的设计反应谱, 比基于绝对加速度的设计反应谱, 计算更准确。
式中:α为地震影响系数;αmax为地震影响系数最大值,
以工程1为例, 罕遇地震作用下, 当结构阻尼比为20%时, 用式 (22) ~ (23) 得到的设计反应谱和我国抗震规范的设计反应谱进行对比, 如图4所示。
仍以工程1和工程2为例, 采用Hwang法对隔震支座进行等效线性化, 但实振型分解反应谱法计算时, 设计反应谱采用式 (22) ~ (23) 对应的谱。时程分析时仍采用一条人工波, 该人工波与式 (22) ~ (23) 的设计反应谱相比, 在结构主要振型的周期点上相差均不大于5%。两种方法的计算结果如表8所示。由于不同层的计算误差几乎相等, 表8中仅列出隔震层。
采用基于伪加速度反应谱的实振型分解反应谱法与时程分析法的计算结果 表8
工程 |
隔震层剪力/kN |
隔震层位移/mm | ||||
实振 型法 |
时程 分析 |
误差/% |
实振 型法 |
时程 分析 |
误差/% | |
1 |
8 564 | 8 145 | 5.1 | 249 | 239 | 4.2 |
2 |
13 907 | 13 173 | 5.6 | 229 | 218 | 5.0 |
注:误差= (实振型分解反应谱法计算结果-时程分析计算结果) /时程分析计算结果。
从表8可以看出, 采用式 (22) ~ (23) 的反应谱后, 工程1和2的实振型分解反应谱法计算结果与时程分析法计算结果非常接近, 楼层剪力和楼层位移的误差在5%左右, 而采用我国规范设计反应谱时, 楼层剪力和楼层位移的误差大约在15%左右, 说明对大阻尼比长周期的隔震结构, 采用基于伪加速度谱进行标定的设计反应谱更合理。此外, 若采用Hwang法对隔震支座进行等效线性化, 同时采用式 (22) ~ (23) 的反应谱, 用实振型分解反应谱法求得的计算结果与时程分析法非常接近, 可完全满足工程设计要求。
3 结语
本文通过理论推导, 分析了实振型分解反应谱法的误差来源。分别讨论了隔震层等效线性化方法、振型阻尼比计算方法和设计反应谱对实振型分解反应谱法结果的影响, 主要结论如下:
(1) 隔震层采用不同的等效线性化方法, 对实振型分解反应谱法的计算精度影响较大。由5种等效线性化方法对比可知, 采用我国规范建议的等效线性化方法计算误差较大, 建议修正为Hwang法。
(2) 隔震结构的反应仍为低阶振型控制, 不同振型阻尼比计算方法对实振型分解反应谱法的计算结果影响很小, 建议可用隔震层的等效阻尼比作为整个结构的阻尼比。
(3) 对大阻尼比长周期的隔震结构, 若采用Huang法对隔震支座进行等效线性化, 同时采用基于伪加速度谱进行标定的设计反应谱时, 实振型分解反应谱法的计算结果与时程分析法非常接近, 可完全满足工程设计要求。
[2] 张敦元, 白羽, 高静.对我国现行抗震规范反应谱若干概念的探讨[J].建筑结构学报, 2016, 37 (4) :110-118.
[3] 杜永峰, 李慧, 苏磐石, 等.非比例阻尼隔震结构地震响应的实振型分解法[J].工程力学, 2003, 20 (4) :24-32.
[4] 王曙光, 杜东升, 刘伟庆, 等.隔震结构不同阻尼比地震影响系数曲线的改进研究[J].建筑结构学报, 2009, 30 (3) :112-119.
[5] 薛彦涛, 巫振弘.隔震结构振型分解反应谱计算方法研究[J].建筑结构学报, 2015, 36 (4) :119-125.
[6] 张树传, 何玉敖, 王亚勇.非比例阻尼线性体系振型组合法适用范围探讨[J].建筑结构, 2011, 41 (5) :63-67.
[7] WARBURTON G B, SONI S R.Errors in response calculations for non-classically damped structures[J].Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 1977, 5 (4) :365-376.
[8] ROSENBLUETH E, HERRERA I.On a kind of hysteretic damping[J].Journal of Engineering Mechanics Division ASCE, 1964, 90 (4) :37-48.
[9] 欧进萍, 吴斌, 龙旭.耗能减振结构的抗震设计方法[J].地震工程与工程振动, 1998, 18 (2) :98-107.
[10] Manual for menshin design of highway bridges [M].Tsukuba:Japanese Public Works Research Institute (JPWRI) , 1992.
[11] HWANG J S.Evaluation of equivalent linear analysis methods of bridge isolation[J].Journal of Structural Engineering, 1996, 122 (8) :972-976.
[12] HWANG J S, CHIOU J M.An equivalent linear model of lead-rubber seismic isolation bearings[J].Engineering Structures, 1995, 18 (7) :528-536.
[13] 罗开海, 王亚勇.关于不同阻尼比反应谱的研究[J].建筑结构, 2011, 41 (11) :16-21.
[14] 周靖, 方小丹, 毛威.长周期抗震设计反应谱衰减指数与阻尼系数研究[J].建筑结构学报, 2017, 38 (1) :62-75.
[15] 方小丹, 魏琏, 周靖.长周期结构地震反应的特点与反应谱[J].建筑结构学报, 2014, 35 (3) :16-23.