一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法。该方法包括：确定消防水箱是否适合改造成为调谐液体阻尼器；当消防水箱适合改造成为调谐液体阻尼器时，获取消防水箱与消防水箱下方建筑结构自振周期、频率的差距；制定并调整消防水箱内扰流网的设置和水位设置方案；确定消防水箱的减震效果。本发明专利技术通过在高层建筑顶部消防水箱中增设扰流网并控制水位，可使其既兼顾消防水箱的功能又实现TLD功能，从而起到减振作用；不需另外设置大量的小型浅水箱作为TLD，而利用建筑顶部原有消防水箱作为TLD，既降低减振成本又不影响建筑使用，在消防水箱内增设扰流网，既不影响建筑消防水箱的水量，又可通过改变水的晃动频率来达到建筑减振效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法
本专利技术涉及建筑抗震
，更具体的涉及一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法。
技术介绍
为克服传统抗震设计方法的缺陷，国内外学者将振动控制理论引入到现代结构工程中,使结构设计从单纯的抗震设计进入了减振设计阶段。近年来，经过广大研究者和工程师的不断努力，结构振动控制应用于土木工程结构抗震的相关理论、试验及工程实践等方面都取得了一定进展。其中，调谐减振系统等被动控制装置凭借成本低、日常维护费用少且无需提供外部能源等优势，逐步被应用于结构抗震，而调谐液体阻尼器(TLD)是调谐减振系统中的一种。TLD在风致振动方面可以获得较好的控制效果。但地震动反应比较复杂，所以在使用TLD对建筑结构进行减振抗震设计的相关研究和应用中还存在一些问题，具体如下所示：第一，通过研究可知，建筑物顶部位移的减振量随着水量的增加而增加，当水量与建筑物质量比在1.5％-3％时，减振率可达到15％-30％。这就对用于TLD的水量提出了较高要求，导致现有的TLD系统往往采用数量过多的水箱，建造成本高、所占空间大，而且存在水箱之间是否连通以及水箱中的水不宜利用等问题。第二，目前浅水TLD减振控制技术相对成熟，但浅水TLD的水位浅，水量小，作用有限。而深水TLD具有较高水位，水量大，因此其液体晃动阻尼对控制效果的影响更为显著，其在建筑减振方面更具优势，但如何有效提高深水TLD的液体晃动阻尼仍是需要研究的问题。第三，通过研究可知，TLD水箱中水的晃动频率接近或稍小于建筑物自振频率时，TLD系统的控制效果最优。如何控制深水TLD中水的晃动频率也是需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，用以解决现有技术中存在的问题。本专利技术实施例提供一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，包括：步骤1：利用有限元软件对建筑结构进行建模并进行模态分析，得到建筑结构的自振周期、频率以及质量；步骤2：获取高层建筑物顶部消防水箱内水的深度h以及沿振动方向水箱尺寸L，计算出消防水箱内水的质量，通过消防水箱内水与建筑结构的质量比，并结合消防水箱中水的晃动频率fw与h/L的关系曲线、消防水箱中水的晃动频率fw与L的关系曲线，确定消防水箱是否适合改造成为调谐液体阻尼器；步骤3：如果消防水箱适合改造成为调谐液体阻尼器，则利用有限元软件建立消防水箱的数值模型，计算分析消防水箱的自振周期、频率；将消防水箱的自振周期、频率与消防水箱下方建筑结构的自振周期、频率分别进行比较，得出消防水箱与消防水箱下方建筑结构自振周期、频率的差距；步骤4：根据消防水箱与消防水箱下方建筑结构自振周期、频率的差距，制定消防水箱内扰流网设置方案和水位设置方案；根据扰流网设置方案和水位设置方案在步骤3的消防水箱的数值模型中建立水箱内部的扰流网并设置水位，然后利用有限元软件对设有扰流网的水池进行分析，得到扰流网的自振周期、频率；并根据扰流网的自振周期、频率的结果调整扰流网设置方案和水位设置方案，使设置有扰流网的消防水箱的自振频率靠近且小于建筑结构的自振频率；步骤5：在调整好消防水箱扰流网设置方案及水位设置方案后，将消防水箱及建筑结构建立在同一模型中，形成与实际工程一致的顶部有消防水箱的建筑结构模型，并进行建筑结构抗震性能分析，通过建筑结构顶点位移、构件变形、结构内力指标是否满足规范要求来判定由消防水箱形成的调谐液体阻尼器是否能够起到减震作用；步骤6：如果经过数值模拟在消防水箱中设置扰流网的方案能够达到预期目的，即建筑结构受力性能及变形满足建筑结构设计规范要求，则实际施工中按照步骤4中的扰流网设置方案及水位设置方案施工；如果经过数值模拟设置扰流网的消防水箱的减震效果没有达到预期目的，则重复步骤3至步骤5，依据计算结果对扰流网的设置方案进行调整，直至消防水箱的减震效果达到预期目的。进一步地，所述基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器采用建筑物已有的消防水箱。进一步地，所述扰流网为带孔的金属板或金属网。本专利技术实施例中，提供一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，与现有技术相比，其有益效果如下：本专利技术通过在高层建筑顶部消防水箱中增设扰流网并控制水位，可使其既兼顾消防水箱的功能又实现调谐液体阻尼器(TLD)功能，从而起到减振的作用；利用高层建筑顶部原有消防水箱，在为其增设扰流网后形成深水TLD，依据有限元分析结果，确定合理的水位及扰流方式，使该TLD在水量、液体晃动阻尼、晃动频率等方面达到最优状态，从而在基本不增加建筑建造成本的前提下达到对高层建筑结构在地震发生时的减振作用，从而提高建筑结构的抗震性能。本专利技术的TLD设计方法不同于一般的TLD设计方法，不需另外设置大量的小型水箱作为TLD，而是利用建筑顶部原有消防水箱作为TLD，既降低减振成本又不影响建筑使用；在消防水箱内增设扰流网，既解决了TLD水的水量问题，又可有效解决水的晃动频率问题。附图说明图1为本专利技术实施例提供的建筑结构有限元模型；图2为本专利技术实施例提供的fw与h/L的关系曲线图；图3为本专利技术实施例提供的fw与L的关系曲线图；图4为本专利技术实施例提供的消防水箱有限元模型；图5为本专利技术实施例提供的消防水箱水压力云图；图6a为本专利技术实施例提供的TLD系统整体有限元模型；图6b为本专利技术实施例提供的TLD系统消防水箱有限元模型；图7a为本专利技术实施例提供的用开孔金属板作为扰流网的矩形消防水箱俯视图；图7b为本专利技术实施例提供的用开孔金属板作为扰流网的矩形消防水箱剖面图；图8a为本专利技术实施例提供的用金属网作为扰流网的矩形消防水箱俯视图；图8b为本专利技术实施例提供的用金属网作为扰流网的矩形消防水箱剖面图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提供的一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，具体包括：第1步：利用有限元软件(可以使用ABAQUS、ANSYS等软件)对建筑结构进行建模(如图1)并对其进行模态分析，得到建筑结构的自振周期、频率以及建筑结构质量。第2步：通过业主提供的设计图纸获取高层建筑物顶部消防水箱的液体深度h以及沿振动方向水箱尺寸L，计算出消防水箱水的质量，通过水箱内水与建筑结构的质量比并结合图2中的消防水箱中水的晃动频率fw与h/L的关系曲线、图3中消防水箱中水的晃动频率fw与L的关系曲线确定该水箱是否适合进行改造并成为TLD。第3步：如果该消防水箱适合进行改造形成TLD，则利用有限元软件建立如图4所示的消防水箱的数值模型，通过计算分析可得到图5所示的该水箱的消防水箱水压力云图以了解水箱中水的晃动情况，并得到消防水箱的自振周期、频率。将水箱的自振周期、频率与其下方建筑结构的自振周期、频率进行比较，得出两者之间的差距。本专利技术可通过基于集中质量法的TLD模型或者基于流固耦合法的TLD模型对消防水箱形成的TLD进行分析。下面分别对基于集中质量法的TLD模型和基于流固耦合法的TLD模型进行说明。(1)集中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，包括：步骤1：利用有限元软件对建筑结构进行建模并进行模态分析，得到建筑结构的自振周期、频率以及质量；步骤2：获取高层建筑物顶部消防水箱内水的深度h以及沿振动方向水箱尺寸L，计算出消防水箱内水的质量，通过消防水箱内水与建筑结构的质量比，并结合消防水箱中水的晃动频率fw与h/L的关系曲线、消防水箱中水的晃动频率fw与L的关系曲线，确定消防水箱是否适合改造成为调谐液体阻尼器；步骤3：如果消防水箱适合改造成为调谐液体阻尼器，则利用有限元软件建立消防水箱的数值模型，计算分析消防水箱的自振周期、频率；将消防水箱的自振周期、频率与消防水箱下方建筑结构的自振周期、频率分别进行比较，得出消防水箱与消防水箱下方建筑结构自振周期、频率的差距；步骤4：根据消防水箱与消防水箱下方建筑结构自振周期、频率的差距，制定消防水箱内扰流网设置方案和水位设置方案；根据扰流网设置方案和水位设置方案在步骤3的消防水箱的数值模型中建立水箱内部的扰流网并设置水位，然后利用有限元软件对设有扰流网的水池进行分析，得到扰流网的自振周期、频率；并根据扰流网的自振周期、频率的结果调整扰流网设置方案和水位设置方案，使设置有扰流网的消防水箱的自振频率靠近且小于建筑结构的自振频率；步骤5：在调整好消防水箱扰流网设置方案及水位设置方案后，将消防水箱及建筑结构建立在同一模型中，形成与实际工程一致的顶部有消防水箱的建筑结构模型，并进行建筑结构抗震性能分析，通过建筑结构顶点位移、构件变形、结构内力指标是否满足规范要求来判定由消防水箱形成的调谐液体阻尼器是否能够起到减震作用；步骤6：如果经过数值模拟在消防水箱中设置扰流网的方案能够达到预期目的，即建筑结构受力性能及变形满足建筑结构设计规范要求，则实际施工中按照步骤4中的扰流网设置方案及水位设置方案施工；如果经过数值模拟设置扰流网的消防水箱的减震效果没有达到预期目的，则重复步骤3至步骤5，依据计算结果对扰流网的设置方案进行调整，直至消防水箱的减震效果达到预期目的。...

【技术特征摘要】
1.一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，包括：步骤1：利用有限元软件对建筑结构进行建模并进行模态分析，得到建筑结构的自振周期、频率以及质量；步骤2：获取高层建筑物顶部消防水箱内水的深度h以及沿振动方向水箱尺寸L，计算出消防水箱内水的质量，通过消防水箱内水与建筑结构的质量比，并结合消防水箱中水的晃动频率fw与h/L的关系曲线、消防水箱中水的晃动频率fw与L的关系曲线，确定消防水箱是否适合改造成为调谐液体阻尼器；步骤3：如果消防水箱适合改造成为调谐液体阻尼器，则利用有限元软件建立消防水箱的数值模型，计算分析消防水箱的自振周期、频率；将消防水箱的自振周期、频率与消防水箱下方建筑结构的自振周期、频率分别进行比较，得出消防水箱与消防水箱下方建筑结构自振周期、频率的差距；步骤4：根据消防水箱与消防水箱下方建筑结构自振周期、频率的差距，制定消防水箱内扰流网设置方案和水位设置方案；根据扰流网设置方案和水位设置方案在步骤3的消防水箱的数值模型中建立水箱内部的扰流网并设置水位，然后利用有限元软件对设有扰流网的水池进行分析，得到扰流网的自振周期、频率；并根据扰流网的自振周期、...

【专利技术属性】
技术研发人员：田志昌，李娟，牛建刚，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15