等效刚度和等效阻尼有什么关联?

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按照现行规范的计算分析方法,必须将隔震结构这个非线性结构体系转换为等效线性化的弹性体系来进行分析计算,那么对隔震结构的非现行支座必然需要进行等效处理,将其等效为按照一定刚度和一定附加阻尼的线弹性构件。因此,需要给每个支座赋予一个等效刚度和等效阻尼,或者给整体隔震层赋予一个等效刚度和等效阻尼以按照多自由度体系简化计算。

等效刚度:在现行规范中规定,在多遇地震作用下,按照剪切变形为50%的水平刚度考虑;在设防烈度地震作用下,按照剪切变形为100%的水平刚度考虑;在罕遇地震作用下,按照剪切变形为250%的水平刚度考虑。按照该定义,即通过支座的试验得到的滞回曲线画割线刚度可获得,即可得到一个定值。

等效阻尼:在现行规范中有类似等效刚度的定义,通常通过能量计算,即有效阻尼比,其中为耗能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量,为设置耗能部件的结构在预期位移下的总应变能。对于能量的计算可参考相关规范。

那么从等效刚度和等效阻尼的计算方法表明,等效线性化的前提是存在预估位移和确定的剪切变形,那在实际工程中,多遇地震下是否能够使得支座的剪切变形达到50%呢?或者设防烈度地震作用下达到100%?或者罕遇地震作用下达到250%?

显然不能一一而足,多遇地震下,往往隔震支座还处于弹性阶段,变形很小,可能部分支座还处于初始刚度起作用的阶段;而设防烈度地震作用下和罕遇地震作用下也可能达不到100%和250%,或者超过它。

从滞回曲线可知,如果等效刚度选取的变形偏大,实际达不到,那么等效刚度偏小,结构隔震层偏柔,导致隔震周期偏大,减震效果过于夸大,而实际未能达到,从而导致上部结构的设计配筋偏小,使整体结构偏于不安全;

如果等效刚度选取的变形偏小,即地震作用水准真实变形超过规范指定的剪切变形,仍然取指定剪切变形时对应的刚度,则等效刚度偏大,则可能导致对应地震作用水准的变形验算不准确。

同理,等效阻尼也仍然存在上述的问题,滞回曲线中能量耗散的面积多少跟实际变形相关,过大的变形估计会导致多计算了等效阻尼比,使得上部结构配筋偏小而偏于不安全。

由上可知,等效刚度和等效阻尼是相关的,不同的等效刚度对应不同等效阻尼。

因此,建议在等效线性化处理中,等效刚度和等效阻尼的获取在非线性计算过程中获取,即采用非线性的方法进行时程分析,根据时程分析得到的滞回曲线求等效刚度,确定等效刚度后,在根据等效刚度求隔震层等效阻尼比,以避免每个构件的阻尼比离散导致等效刚度和等效阻尼均无法收敛。

由于在现行规范的设计中,仍然以反应谱方法为主导,因此,等效刚度和等效阻尼的确定直接影响设计结果。由于非线性时程分析方法复杂,也可以建议采用反应谱法进行迭代计算等效刚度和等效阻尼。

流程:先假定一个等效刚度(通常可以选用100%剪切变形时的等效刚度),然后进行中震喜爱反应谱计算,查看支座的变形,如果跟假定的100%剪切变形不一致,则将实际变形代入支座的滞回曲线中求出新的等效刚度,再进行二次计算,多次迭代后,使得等效刚度计算得到的支座剪切变形是吻合的。同理,可求等效阻尼,但是由于在反应谱计算方法中,阻尼的大小仅影响地震影响系数反应谱曲线,因此,只能求得一个隔震层的等效阻尼比,并与结构阻尼一起考虑。

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  • 本文由 发表于 2019年9月24日 10:05:00
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