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1、YJK减震结构设计应用2017年4月1010203消能减震设计指在房屋结构中设置消能器，通过位移相关型或速度相关型消能器提供附加阻尼，消耗输入的地震能量，达到预期减震要求。减震概念小震下减震效果一般可达5%30%，中大震下结构层间位移减震效果可达30%左右。减震效果适用范围：适用范围广阔，几乎没有限制，适用于钢筋混凝土结构。减震结构设计减震器刚度影响结构的周期、内力、位移；减震器阻尼主要增加减震作用；减震器的非线性属性；010203位移相关型：位移相关型可以有效的增加结构阻尼比，同时增加结构刚度，因此加入位移相关型消能器后结构的周期变短，阻尼比增加。位移相关型消能器：屈曲约束支撑（BRB）软钢
2、剪切消能器摩擦型消能器铅消能器等效果：消能器对于减小结构的总基底剪力效果有时侯并不显著，但对于控制结构位移效果显著。位移相关型消能器010203速度相关型消能器速度相关型：增加结构的阻尼，不提供刚度，不改变结构周期。速度相关型消能器：黏滞消能器黏弹性消能器效果：通过增加结构的阻尼实现减小结构基底剪力和层间位移的效果。 67建筑消能减震设计规范JGJ297-2013第4.1.2条第2、3款：2 当消能减震结构主体结构处于弹性工作状态，且消能器处于非弹性状态时，可将消能器进行等效线性化，采用附加有效阻尼比和有效刚度的振型分解反应谱、弹性时程分析法，也可采用弹塑性时程分析法。3 当消能减震结构主体结
3、构进入弹塑性状态时，应采用静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析方法；规范规定抗规12章：当主体结构基本处于弹性工作状态时，可采用线性分析方法做简单估算；消能减震结构的阻尼比由主体结构的阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比组成；消能减震分析方法“一般情况下宜采用静力弹塑性分析或者弹塑性时程分析方法，但当主体结构构件基本处于弹性工作阶段时，可采取弹性分析方法，如基于等价线性化的振型分解反应谱法做简化估算，主体结构和消能器所处的状态及适合的分析方法可选下表”。主体结构消能器分析方法弹塑性非线性静力弹塑性弹塑性时程分析弹塑性线性静力弹塑性弹塑性时程分析线性非线性振型分解反应谱法弹塑性时程分析线性线性振
4、型分解反应谱法弹性时程分析建筑消能减震技术规程3.3.1条文说明：9不同位置不同地震水准，有效刚度和阻尼如何得到；需采用小震、中震、大震计算；不同地震水准下的耗能、滞回等特性；反应谱计算不可或缺；难点非线性单元，需按动力时程分析计算计算三方面计算内容振型分解反应谱计算与配筋；弹性时程分析；弹塑性动力时程分析。一、布置粘滞消能器结构设计过程11推荐设计流程121314对无控模型进行小震反应谱法计算；无控模型提高结构阻尼比试算，初步确定减震目标；有控模型反应谱法计算。此为第5步的中间过程；有控模型读取第5步有效刚度和有效阻尼进行反应谱法计算设计；223有控模型进行大震弹塑性分析，确定阻尼器最大阻尼
5、力及最大位移、及子结构设计。推荐设计流程主要步骤：3有控模型初步设计；4567有控模型小震直接积分时程法计算得到有效刚度和有效阻尼；工程概况本工程抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度峰值为0.30g，设计地震分组第三组，类场地，场地特征周期0.45秒，采用框架结构形式，楼层数6层，无地下室，总高23米。1415运行YJK，对无控原模型进行小震反应谱法计算。此结构是钢筋混凝土结构，其结构阻尼比为5%查看其层间位移角和位移比对无控原模型进行小震反应谱法计算16楼层剪力、配筋对无控原模型进行小震反应谱法计算从以上结果可以看出：1、1-5层层间位移角超限；2、部分梁柱抗剪超限；17在进行粘滞消能器设置
6、的设计中，减震目标通常体现为使结构的附加阻尼比达到某一设计值，从而使消能减震结构能够达到规范的要求。例如混凝土结构不设置阻尼器时结构阻尼比为5%，设置阻尼器后目标阻尼比为21%。楼层剪力减小40%左右；通过试算来完成减震目标的设定。经过多次试算，当该结构阻尼比为21%时，构件不再有超限现象，层间位移角楼层满足要求。则此确定的减震目标为结构阻尼比提高至21%。无控模型提高结构阻尼比试算，确定减震目标18综上所有构件都不超限，位移比和层间位移角均满足抗规相应要求。所以可以将目标定为结构总阻尼比X和Y均为21%，即消能器附加给结构的附加阻尼比为16%。无控模型提高结构阻尼比试算，确定减震目标目标模型
7、反应谱结果：位移比、位移角、楼层剪力、配筋初步设计有控模型方案19（1）建立初设方案模型-初步设计消能器布置数量和位置将原无消能器的模型复制一份，设置为“有控-初设”。初步设定采用筒式流体粘滞阻尼器，结构布置：从底层到顶层，人字形布置，1-3层每层8个，4-5层每层设置7个；3初步设计有控模型方案20（1） 指定阻尼器单元属性注：阻尼系数的单位软件界面显示不全，应是kN*(s/m) ；3有控模型小震时程法计算21进行生成数据+全部计算后，得到反应谱法计算结果。反应谱法计算过程是进行时程计算必须的中间过程；注意结构阻尼比还应按无控模型的填写，此例为5%4（2）有控模型小震反应谱法计算有控模型小震
8、时程法计算22A、在“弹性时程分析”菜单的“人工波生成”对话框上生成一条和规范谱拟合的非常好的人工波；4（3）直接积分时程法计算有效刚度有效阻尼有控模型小震时程法计算23直接积分时程法4（3）直接积分时程法计算有效刚度有效阻尼有控模型小震时程法计算244（3）直接积分时程法计算有效刚度有效阻尼时程结果查看有控模型小震时程法计算25在“构件编号”可以查看直接积分时程法计算得有效刚度和阻尼4（3）读取直接积分法得到的有效刚度和阻尼进行反应谱法计算有控模型小震时程法计算26Wzq中输出结构阻尼比4（3）读取直接积分法得到的有效刚度和阻尼进行反应谱法计算如果发现某项内容不满足要求或者有超筋现象，请返回
9、到第3步重新调整消能器布置方案或者调整参数。 满足要求后，此即为最终方案，配筋结果也可作为最终结构设计结果。有控模型和无控模型大震弹塑性结果分析275减震消能减震JGJ297-2013第4.1.7条：采用静力弹塑性分析方法时应满足下列要求：2 结构目标位移的确定应根据结构的不同性能来选择，宜采用结构总高度的1.5%作为顶点位移的界限值；此模型总高度为23m，总高度的1.5%为345mm做为顶点位移的界限值。建筑消能减震设计规程JGJ297-2013第6.4.3条：“2 消能减震结构的弹性层间位移角限值不应大于现行国家标准建筑抗震设计规范GB50011规定的限值要求”当结构遭遇中大地震时，一般建
10、筑主体结构不再处于弹性阶段，而是逐步进入弹塑性阶段，故对于中大震的分析应采用弹塑性分析，本例采用YJK的动力弹塑性分析模块YJK-EP。有控模型和无控模型大震弹塑性结果分析285建筑消能减震设计规程JGJ297-2013第6.4.2条：1 消能子结构中梁、柱、墙构件宜按重要构件设计，并应考虑罕遇地震作用效应和其他荷载作用标准值的效应，其值应小于构件极限承载力。2、消能子结构中的梁、柱和墙截面设计应考虑消能器在极限位移和极限速度下的阻尼力作用有控模型和无控模型大震弹塑性结果分析295（1） YJK弹塑性选地震波及计算参数设定生成数据有控模型和无控模型大震弹塑性结果分析305（2）将子结构设定成不
11、屈服构件生成数据后在“特殊构件”中的“屈服/不屈服项”指定所有子结构的梁柱等构件为不屈服（抗弯、抗剪、轴向可分别设定）构件，材料强度可为标准值或极限值有控模型和无控模型大震弹塑性结果分析315（3）弹塑性分析后，结果查看：耗能、层间位移角、滞回曲线、位移时程曲线等生成数据后在“特殊构件”中的“屈服/不屈服项”指定所有子结构的梁柱等构件为不屈服（抗弯、抗剪、轴向可分别设定）构件，材料强度可为标准值或极限值有控模型和无控模型大震弹塑性结果分析325（3）弹塑性分析后，结果查看：大震作用下的屈服机制合理性判断等看各构件及子结构的损伤发展情况：梁端首先有损伤，然后更多的梁端出现损伤，个别的梁端损伤较大
12、，然后柱端出现损伤，符合强柱弱梁屈服机制，而子结构未出现极限承载力破坏。屈服机制合理。有控模型和无控模型大震弹塑性结果分析335（3）弹塑性分析后，结果查看：查看子结构构件大震下的配筋结果程序用红色字体起提示作用，表明该构件大震弹塑性配筋比小震弹性配筋大二、布置屈曲约束支撑结构设计过程34屈曲约束支撑BRB35屈曲约束支撑是位移相关型消能器，能有效提高结构的抗侧刚度，且能增加大震下结构的耗能能力，是目前应用最为广泛的消能减震技术之一，实际工程中，部分工程要求屈曲约束支撑小震下弹性，不屈服，只考虑对结构提供的刚度。也有部分工程要求小震下也发挥屈曲耗能。BRB36142设计流程：3建立有控的初步方
13、案结构模型；457有控结构模型大震弹塑性时程计算；无控结构模型进行小震反应谱方法计算；设定消能减震方案；有控结构模型小震时程计算；工程概况某省幼儿园主体结构，3层，高13.6 m，设计地震设防烈度8度第2组，设计基本地震加速度为0.20g，场地类别为类，特征周期0.4s。重点设防，乙类建筑。37无控结构模型进行小震反应谱方法计138由以上结果可以看出2层的层间位移角较大，超过抗规1/550限值要求；无超筋。设定消能减震方案239分析：第一步对无控模型的结果可以看出，无控小震反应谱结果基本满足规范上抗震要求，可考虑采用在小震弹性且提供刚度减小层间位移、中大震提供耗能的屈曲约束支撑消能器构件。根据
14、无控模型结果确定采用的减震方案，及消能器数量、位置和参数。初设方案：拟采用1-3层均布置相同型号吨位的屈曲约束支撑，参数如下：初始刚度：60000kN/m 屈服承载力200kN，极限承载力320kN，屈服后的刚度比0.02，屈服指数5，一字型芯材建立有控结构模型-初步设计340BRB按照斜杆建立，截面类型和尺寸可按照初始刚度进行等效，材料类型设置为5（钢材），在前处理中指定成屈曲约束支撑属性后，计算时会被连接单元给取代。程序还自动对其进行强度验算，此时采用的截面即为建模时的斜撑截面。建立有控结构模型-初步设计341计算参数、连接单元参数设定有控结构模型小震反应谱法计算442将有控模型进行上部结
15、构的“生成数据+全部计算”完成小震下反应谱方法的计算。此结果不是最终的结果，是进行时程计算必须的中间过程。有控结构小震直接积分时程法计算5431、生成与规范谱拟合较好的人工地震波有控结构小震直接积分时程法计算5442、在直接积分时程法菜单中进行该地震波下的时程计算从以上曲线可以看出，小震下屈曲约束支撑已经进入一定的耗能阶段，但是耗能较小，接近弹性状态。有控结构小震直接积分时程法计算5453、结果查看：滞回曲线层间位移最大的2层所在的BRB滞回耗能较大，刚度有所退化，但退化不大，1层和3层的基本处于弹性阶段，刚度基本没有发生退化，接近初始刚度60000kN/m。有控结构小震作用下反应谱法计算64
16、6位移比、位移角均比原模型减小且满足要求；配筋均满足规范要求。有控结构小震作用下反应谱法计算647屈曲约束支撑的强度应力计算结果。有控结构小震作用下反应谱法计算648有效刚度、有效阻尼查看有控结构小震作用下反应谱法计算649有效刚度:列出所有BRB由直接积分时程法计算出的有效刚度有效阻尼，有效刚度一般在52000-60000kN/M之间，和前处理设定的非线性初始刚度60000对比，小震下刚度有所退化，但退化非常小，说明在小震时屈曲约束支撑也部分进入了屈服状态，并开始发挥耗能作用，和第五步的能量曲线结果一致。这些表明屈曲约束支撑在小震下接近弹性状态。有效阻尼：有效阻尼大多数BRB都是一个较小的数
17、值，一般为0-30之间，和整体结构的阻尼比较是非常小的，可以忽略，这和一般屈曲约束支撑将其有效阻尼参数设置为0是相符的。其中有几个刚度退化比较严重的屈曲约束支撑，其有效阻尼达到300，有的达到900度，说明在小震下已经进入屈曲滞回耗能阶段。有控模型和无控模型中大震弹塑性时程分析对比计算7501、选波有控模型和无控模型中大震弹塑性时程分析对比计算751结果查看可见大震下，屈曲约束支撑耗能效果比较明显。有控模型和无控模型中大震弹塑性时程分析对比计算752滞回曲线大震弹塑性下BRB滞回曲线饱满，屈曲约束支撑都已经进入屈曲耗能阶段，最大出力都达到或超过了屈服承载力300kN，2层的屈曲约束支撑最大位移
18、为13.8mm。应查看所有地震波所有BRB滞回曲线，以得到BRB最大出力及弹塑性最大位移，以来判断厂家提供的材料是否满足1.2倍最大位移的要求。有控模型和无控模型中大震弹塑性时程分析对比计算753层间位移角对比通过以上对比，布置BRB的有控模型在大震弹塑性下的最大层间位移角有明显的减小，X向1/74减小到1/92，Y向由1/59减小到1/104。有控模型和无控模型中大震弹塑性时程分析对比计算754楼层剪力对比通过以上对比，布置BRB的有控模型在大震弹塑性下的最大层间位移角有明显的减小，X向1/74减小到1/92，Y向由1/59减小到1/104。有控模型和无控模型中大震弹塑性时程分析对比计算75
19、5大震屈服机制合理性判断从以上可以得出，结构的破坏，首先是梁端出现了塑性铰，而后梁端塑性铰增多，进而少量柱端出现破坏，最后时刻是部分梁端破坏严重，个别柱也出现较严重的破坏。屈服机制符合性能设计要求。参数用法注意消能减震构件若为阻尼器，输入的刚度是与阻尼器串联的。如果需要模拟粘滞型阻尼器（纯阻尼），需将非线性参数中的刚度指定为一个大数。弹性时程模块如果只输入线性参数，振型叠加法进行线弹性时程分析；如果输入了非线参数，采用快速非线性（FNA）计算，主体结构保持为弹性；建模如果只输入线性参数，振型叠加法进行线弹性时程分析；如果输入了非线参数，采用快速非线性（FNA）计算，主体结构保持为弹性；连接单元
20、设置59连接单元除了以前的铰接、刚接外，提供更加多样的连接方式；用户可以手工指定两点之间的弹性连接，可以定义节点6个自由度上的弹性刚度，可以支持各种复杂的弹性刚度形式，用来模拟滑动连接，滑动支座，减震隔震装置等。大跨空间结构和底部主体结构的滑动连接支座上连体结构和两侧主体结构的滑动弹性连接隔振支座、减震装置60概念-局部坐标系611、局部坐标系：指定节点局部坐标系的X轴，Y轴的方向；该节点自由度的释放/约束、相应方向上施加的弹簧，或者支座节点的强制位移，均按局部坐标系处理；2、未指定的按整体坐标系。连接属性在两点约束、单点约束和设置支座、斜撑设置连接属性菜单都设置了6种选项：线型、屈曲约束支撑
21、、阻尼器、塑性单元、隔震支座、间隙，选择线性时即为弹性约束。6263单点约束：用于设置支座节点、上下楼层之间连接节点或者任意两个杆件之间的弹性连接。楼层之间的连接节点一般是柱下、斜撑下与下一楼层连接的节点。设置到中间楼层：本层柱下、斜撑下与下一楼层连接关系。单点约束单点约束是YJK的特色菜单64针对垂直的柱下、支撑下的约束设置；软件自动在柱底和下层节点之间设置约束；不用再人为设置分离的两节点；注意：目前不支持在多根构件交汇的节点进行设置。单点约束是YJK的特色菜单65单点约束坐标系：线性：按节点局部坐标系，如没设置则依据全局坐标系；其他连接属性：1轴竖直向上，2轴为全局坐标系Y轴，若定义了局部
22、坐标系，局部坐标系的y轴作为2轴方向；在柱下、支撑下设置单点约束更方便661、穹顶与普通层柱径向滑动2、局部坐标系、单点约束的操作单点约束-隔震支座设置671、穹顶与普通层柱径向滑动2、局部坐标系、单点约束的操作两点约束特殊构件定义中设置节点约束在节点上设弹簧刚度，实际是在节点上连接的两根杆件之间或者两批杆件之间设置弹簧刚度69坐标系设置线性：取决于局部坐标系，如没定义则依据全局坐标系；其他属性：1轴由从节点指向主节点的连接方向；2轴为垂直1轴向上方向，3轴方向按1轴-2轴的右手螺旋定则确定；两点约束：指定同标准层平面内两点间的约束关系，由于必须是两个节点，因此对于工程中有节点上设置了滑动支座
23、等情况，需要对于支座连接的两部分构件进行人为的拆分，建立距离相近的节点并分别布置构件，然后再指定该两点间的约束关系。两点约束概念斜撑连接属性70建模时在需要设置连接属性（消能器、隔震支座、弹性连接等）的位置布置斜撑，该斜撑的布置是临时性的，它在计算前处理被消能器取代。好处是：这样布置更灵活、直观，约束作用方向也好确定。建议此种方式。概念71采用这种方式建模时，局部坐标系采用斜撑的局部坐标系表达，具体为：1轴为斜杆较高端指向斜杆较低端的连线方向；2轴为垂直1轴向上方向，3轴方向按1轴到2轴的右手螺旋定则确定。竖直布置的斜杆1、2、3轴分别对应整体坐标系-Z、+Y、+X向；连接单元的计算模型减震消
24、能减震技术规程JGJ297-2013第4.1.8：消能器的恢复力模型宜按下列规定选取：1.软钢消能器和屈曲约束支撑可采用双线性模型、三线性模型或wen模型2.粘滞消能器可采用麦克斯韦模型。72YJK单元连接属性中支持阻尼器、塑性单元Wen、屈曲约束支撑等消能减震单元，速度型阻尼器： “阻尼器”，YJK是麦克斯韦（Maxwell）模型；位移型消能器可选用：“屈曲约束支撑”或 “塑性单元Wen”，两者的计算模型都是采用的是Wen模型。 YJK消能减震参数介绍73线性有效刚度6个自由度可设有效效刚度系数；用于线性计算，如恒活风等静力计算、模态（周期）分析、反应谱分析、杜哈梅线性时程分析，在此类分析中
25、，单元的非线性参数被忽略FNA：非线性模态时程分析法，由于它使用了基于有效刚度计算的振动模态进行非线性力的迭代（非线性力的计算采用非线性参数），所以有效刚度会影响FNA计算结果。而某些结构中非线性构件的有效刚度对其周期的影响较大，如隔震结构和布置了较多减震器的减震结构。对于这样的结构，有效刚度对非线性时程分析的结果的影响是不可忽略的，需要用户填入较为准确的有效刚度，FNA法才能得到准确的计算结果。直接积分法，其算法本身与线性有效刚度没有关联。采用瑞利阻尼的阻尼系数的计算需要输入两个周期以及其对应的阻尼比，YJK直接积分法目前默认采用上部结构计算结果的第一周期和第三周期。又由于周期分析是基于有效
26、刚度的，所以有效刚度会间接的影响YJK直接积分法默认的瑞利阻尼，而瑞利阻尼作为直接积分法的阻尼项，会影响直接积分法的结果。74线性有效阻尼仅用于计算附加阻尼比。与非线性时程分析则无任何关系。 此处YJK有一项特殊处理，当且仅当三个条件被同时满足时： 1） 减震器为速度型阻尼器。 2）用户选择采用能量等效法计算附加阻尼比。 3）未读入直接积分法自动计算的有效刚度和有效阻尼结果。程序内部会将阻尼器两端的运动假定为一个简谐运动，且利用阻尼器的非线性参数来计算其耗能，从而计算其附加阻尼比。除此特殊情况之外，软件的附加阻尼比均会采用有效阻尼来计算。 75线性有效阻尼仅用于计算附加阻尼比。与非线性时程分析
27、则无任何关系。 此处YJK有一项特殊处理，当且仅当三个条件被同时满足时： 1） 减震器为速度型阻尼器。 2）用户选择采用能量等效法计算附加阻尼比。 3）未读入直接积分法自动计算的有效刚度和有效阻尼结果。程序内部会将阻尼器两端的运动假定为一个简谐运动，且利用阻尼器的非线性参数来计算其耗能，从而计算其附加阻尼比。除此特殊情况之外，软件的附加阻尼比均会采用有效阻尼来计算。 76线性有效刚度、有效阻尼填写1.对于屈曲约束支撑（塑性单元Wen）来说，其有效刚度应是一个处于初始刚度和屈服后刚度之间的值。2.一般而言，随着地震波加速度的增大，屈曲约束支撑由于会更多的进入屈服段，会导致其有效刚度有减小趋势，而
28、同时其滞回曲线更加饱满，所以其有效阻尼应有增大的趋势。但并无绝对的大小关系，也即并不一定有效刚度越小的屈曲约束支撑，有效阻尼越大。3.对于未布置在地震波方向的屈曲约束支撑而言，比如某轴向型的屈曲约束支撑，沿Y向布置，当地震沿X向时，可能并不承担减震作用，基本相当于一根弹簧，有效刚度与初始刚度一致。所以程序自动计算有效刚度和有效阻尼时，自动取主方向的结果。4.隔震支座水平方向同样采用Wen模型计算，其屈服指数内置为2.0，其有效刚度的特征与上述的1、2、3三点类似。5.对于速度型阻尼器而言，有效刚度一般可填0，也可采用程序自动计算的有效刚度。程序在直接积分法的计算参数中，针对自动计算有效刚度，也
29、提供了阻尼器有效刚度置为0的选项 。 77非线性-屈曲约束支撑（塑性单元Wen）a.刚度是指屈曲约束支撑的初始刚度及其卸载时的刚度。b.屈服力是指使得屈曲约束支撑达到屈服时，其所承担的力。其值与双线性模型曲线拐点处的内力值一致。c.屈服后刚度比是指屈服后刚度与初始刚度的比值。d.屈服指数是Wen单元的一个参数，它表征构件由屈服前刚度过渡到屈服后刚度时的平滑处理程度，当屈服指数无限大时，不做平滑处理，此时Wen模型与双线性模型一致。当屈服指数越小时，平滑处理的程度就越高。78非线性-速度型阻尼器（塑性单元Wen）Maxwell单元V为整根构件两端的相对速度。79非线性-速度型阻尼器（塑性单元Wen）80阻尼系数c是一个线性系数，对整个F轴有一个线性缩放的
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