【正文】 學(xué)者對TMD系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的理論研究并做了大量的現(xiàn)場試驗(yàn)，得到了很多有用的數(shù)據(jù)。由他們的研究可知，經(jīng)過系統(tǒng)的研究和周密的實(shí)驗(yàn)，得到了一些比較有用的設(shè)計(jì)參數(shù)值，通過TMD調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的自振頻率，避免了地震作用時(shí)發(fā)生共振，從而避免建筑主體結(jié)構(gòu)受到不可恢復(fù)的破壞。隔震裝置在結(jié)構(gòu)的地震作用下起著非常關(guān)鍵的作用， 我們常見的隔震裝置可以簡化為三個(gè)組成部分:彈簧、滾珠、還有阻尼。首先彈簧可以使已經(jīng)發(fā)生變形的結(jié)構(gòu)自動(dòng)的恢復(fù)位置，且可以對結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)方向的力。滾珠可使結(jié)構(gòu)在水平方向上自由滑動(dòng)，使結(jié)構(gòu)不至于因水平擺動(dòng)而倒塌。阻尼則是用來減小結(jié)構(gòu)的地震幅度，可以減少地震能量對結(jié)構(gòu)的作用，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過對隔震結(jié)構(gòu)的研究，很多國家研究開發(fā)了不同的隔震裝置，這些不同的隔震裝置都有著不同的參數(shù)和性能，有的可以單獨(dú)作為隔震裝置使用，有的可以和其他隔震裝置組合使用。我們應(yīng)該進(jìn)行合理的分析，選擇合適的動(dòng)力模型，準(zhǔn)確計(jì)算它的水平剛度，選取合理的動(dòng)力模型，這樣可以使對結(jié)構(gòu)的分析更加準(zhǔn)確。己經(jīng)研究出的隔震裝置中運(yùn)用比較廣泛、穩(wěn)定性能好的支座有：普通橡膠支座（RB）、鉛芯橡膠支座（LRB）、摩擦擺支座（FPS）、高阻尼橡膠支座（HDRB）等。鉛芯橡膠隔震支座研發(fā)在上個(gè)世紀(jì)七十年代，將鉛棒注入橡膠中達(dá)到如下目的：1)是使阻尼作用變大，減少地震對結(jié)構(gòu)的破壞作用，明顯增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)能力，大大提高隔震結(jié)構(gòu)的減震效果；2)是提高隔震支座的初始剛度，能較好地抵抗一些外部荷載。由于純鉛材料屈服點(diǎn)很低，而塑性變形能力較強(qiáng)，可使阻尼比達(dá)到百之二十到三十之間。因?yàn)樽枘岷艽罂梢詥为?dú)使用，使得結(jié)構(gòu)抗震變的比較簡單。這種隔震支座具有構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定、參數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，所以在建設(shè)中應(yīng)用的比較多。本文所選用的隔震支座就是這種鉛芯橡膠支座。在軟件模擬中，隔震支座的尺寸、力學(xué)性能等參數(shù)是生產(chǎn)廠家提供，設(shè)計(jì)者需要選取隔震支座的類型和具體型號，其選取依據(jù)是隔震結(jié)構(gòu)的形式和特點(diǎn)，同時(shí)需要滿足在動(dòng)力中的剛度、變形和耗能等各種要求。在實(shí)際層間隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，還需要進(jìn)一步優(yōu)化，所以最后我們采用的類型也會有多種。在層間隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析仿真模擬時(shí)，合理的隔震支座的型號最為重要，直接影響其剛度、阻尼比和變形特性等。在地震作用下的反應(yīng)分析中差別明顯，分析出的結(jié)果也會受到影響。因此在隔震結(jié)構(gòu)使用隔震支座時(shí)，必須充分地考慮隔震支座的性能，選定最合適的類型和規(guī)格，才能進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。隔震支座需要確定的參數(shù)有：變形參數(shù)直徑、橡膠層數(shù)、單層橡膠厚度、形狀系數(shù)和。除此之外，參考參數(shù)還有:屈曲荷載、等效阻尼比、水平剛度、豎向剛度。根據(jù)文獻(xiàn)[41][43]的規(guī)定，鉛芯橡膠支座選型的思路為；（1）根據(jù)規(guī)范[44]中的2, 3, 12條來定橡膠支座的平均受壓應(yīng)力的極限值。計(jì)算出橡膠支座的豎向荷載，并且求出有效直徑，有效直徑是根據(jù)壓應(yīng)力的極限值和豎向荷載來確定的。進(jìn)而根據(jù)有效直徑與鉛芯直徑的關(guān)系得出鉛芯直徑。（2）選取，根據(jù)公式得出橡膠層總厚度，選取S1，根據(jù)已知條件求出單層橡膠厚度，運(yùn)用文獻(xiàn)[5]，確定、和。（3）根據(jù)所得出的各種參數(shù)確定鉛芯橡膠支座的型號，分析它的初始剛度、屈服后剛度和阻尼比在地震反應(yīng)中的減震耗能特性，作為模擬的分析驗(yàn)證的評判。第3章 地震作用下普通窯尾結(jié)構(gòu)的有限元分析本文以中國某地?cái)M建的4500t/d熟料水泥鋼結(jié)構(gòu)窯尾結(jié)構(gòu)工程為研究對象，采用SAP2000對其進(jìn)行建模分析，包括模態(tài)分析、7度及8度多遇地震分析、7度及8度多遇地震和罕遇地震時(shí)程分析。 SAP2000軟件介紹SAP2000是一款集成化的通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件，這些年來廣受設(shè)計(jì)人員的歡迎。它有如下幾個(gè)特點(diǎn)：以Windows視窗化操作窗口；強(qiáng)大的可視界面；方便的人際交互功能；特殊功能的指定；快速建模及導(dǎo)入導(dǎo)出；運(yùn)用范圍廣、減震等特殊材料屬性的定義等。尤為突出的是其強(qiáng)大的分析功能，比如：靜力分析、模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析、線性及非線性動(dòng)力分析、屈曲分析等。SAP2000中建立模型的過程主要為三大步：模型的建立、模型的分析、模型的設(shè)計(jì)。根據(jù)該項(xiàng)目的相關(guān)資料圖紙，窯尾結(jié)構(gòu)總共七層，各樓層梁頂標(biāo)高依次為11m，，,，框架支撐結(jié)構(gòu)高度如表31所示，縱向平面尺寸總為15m，，橫向平面尺寸總為23m，，詳見圖31。窯尾底層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部六層為鋼結(jié)構(gòu)。框架梁為H型鋼梁，框架梁的截面尺寸見表32，柱為鋼管混凝土柱，支撐則采用空心鋼管，框架柱和支撐的截面尺寸見表33。表31 框架結(jié)構(gòu)高度（單位：m）層數(shù)1234567高度111310鋼結(jié)構(gòu)各層的框架梁截面尺寸相同。如表32所示。表32 框架梁的截面（單位：mm）構(gòu)件類型高寬翼緣厚腹板厚框架梁（H型）7002501814各層鋼柱和鋼支撐的截面如表33所示。表33 鋼柱和鋼支撐的截面（單位：mm）構(gòu)件編號ZaZbZCaZCbZCcZCd外徑825700630630529406厚度141212141210結(jié)構(gòu)基本如圖31~圖35所示圖31 底層平面布置圖圖32 三層平面布置圖圖33 24層柱平面圖圖34 5層柱平面圖圖35 6~7層柱圖荷載取值依據(jù)工藝資料提供的荷載和參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行取值，具體如下所示：(1)恒荷載包括：結(jié)構(gòu)自重(建模時(shí)，跨度3米以內(nèi)的次梁不處理,但考慮次梁自重)， ，加勁肋、水平支撐等自重荷載 ，設(shè)備自重按照工藝資料圖；(2)活荷載包括： , ，耐火磚堆放區(qū)域20 ，事故堵料荷載按照工藝資料圖；注：參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB500092001的原則采用樓面活荷載折減方式，即當(dāng)樓面梁的從屬面積超過25時(shí)。(3)風(fēng)荷載： ,考慮阻風(fēng)系數(shù)；荷載說明中特別指出：由于水泥生產(chǎn)勢必造成一定的空氣污染，水泥廠基本建在人煙比較稀少的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或者城市郊區(qū)，本項(xiàng)目為B類地貌，即模擬風(fēng)剖面指數(shù)為α=，能夠比較正確的模擬來流條件。試驗(yàn)時(shí)，水泥廠周圍的主要建筑幾何外形和相對位置也進(jìn)行模擬，則近地區(qū)流場模擬也能夠達(dá)到要求。試驗(yàn)結(jié)果同樣可用于同類地形條件下的同類結(jié)構(gòu)。表34 風(fēng)載荷型系數(shù)風(fēng)向角層高(米)90180270阻風(fēng)率（4）地震荷載：地震設(shè)防烈度7度，Ⅱ 類場地，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為乙類，按照二級抗震等級采取抗震措施。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB500092012），荷載基本組合的設(shè)計(jì)值如下所示：由可變荷載控制時(shí)，應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算： 由永久荷載控制時(shí)，應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算： 有限元模型的處理普通窯尾結(jié)構(gòu)有限元模型中框架梁柱采用剛接，按梁單元模擬；窯尾設(shè)備采用質(zhì)量實(shí)體塊單元模擬，樓板采用可同時(shí)考慮平面內(nèi)、平面外剛度的空間板單元。普通窯尾結(jié)構(gòu)模型如下圖36所示：圖36 普通窯尾結(jié)構(gòu)有限元模型模態(tài)分析又稱振型疊加法，模態(tài)分析不僅能為靜力分析提供結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)參數(shù)，也能進(jìn)行各類動(dòng)力分析。它的主要原理是將多自由度的多維耦合微分方程，利用正交性等原理簡化成相對較為簡單的解耦的二階微分方程。模態(tài)分析在一定程度上幫助我們對結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行判斷，并提供相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。 利用Sap2000軟件對普通窯尾結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，共提取了前9階自振周期，詳見表35。表35 結(jié)構(gòu)的前9階自振周期結(jié)構(gòu)體系T1/sT2/sT3/sT4/sT5/sT6/sT7/sT8/sT9/s周期比普通窯尾結(jié)構(gòu)計(jì)算分析表明：普通窯尾的第一、二振型為平動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)，前三階模態(tài)如圖37~39所示：圖37 普通窯尾結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)圖38 普通窯尾結(jié)構(gòu)的第二階模態(tài)圖39 普通窯尾結(jié)構(gòu)的第三階模態(tài)本章通過對普通窯尾結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了反應(yīng)譜分析：包括設(shè)防烈度為7度、8度；多遇地震時(shí)程分析：包括設(shè)防烈度為7度、8度；罕遇地震時(shí)程分析：包括設(shè)防烈度為7度和8度，提取了以上各種地震工況的基底剪力，層間位移，層間位移角并對其進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)論：各地震工況下的層間位移、層間位移角都比較，達(dá)到或接近規(guī)范的限值。建議設(shè)計(jì)時(shí)做相關(guān)的處理，如增加耗能減震裝置，降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，使得建筑更加安全可靠。第4章 隔震支座減震效果分析對設(shè)立隔震裝置的窯尾結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行模態(tài)分析、地震反應(yīng)譜分析和動(dòng)力時(shí)程分析，并和上一章的普通窯尾結(jié)構(gòu)模型相關(guān)結(jié)果進(jìn)行對比分析，觀測其減震效果。在第三章建立的有限元模型的基礎(chǔ)上，對主要的設(shè)備下的支座進(jìn)行隔震處理，即設(shè)置隔震支座，將設(shè)備與原有支座之間的剛性連接改為柔性連接，從而達(dá)到耗散地震能量，增大結(jié)構(gòu)阻尼，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。作為結(jié)構(gòu)與設(shè)備連接單元，隔震支座采用單獨(dú)的隔震單元（如圖41所示）。隔震單元采用兩節(jié)點(diǎn)間連接，質(zhì)量集中在單元兩端的節(jié)點(diǎn)i和j上，單元內(nèi)部不考慮慣性力。隔震單元擁有線性和非線性屬性，其中線形屬性包括有效剛度和有效阻尼，非線性屬性包括剛度屈服力和屈服后的剛度比。圖41 隔震單元模型圖圖41中，隔震單元在剪切方向進(jìn)入非線性狀態(tài)時(shí)，力變形關(guān)系如公式（41）所示： （41）其中，為隔震單元屈服前的彈性剛度，為屈服力，為屈服后剛度與屈服前剛度的比值，為隔震單元中的內(nèi)部滯后變量，此變量初始值為0，范圍為，當(dāng)z=1時(shí)，隔震單元進(jìn)入屈服狀態(tài)，其變化規(guī)律如公式（42）所示： （42）上式中: 根據(jù)《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》[8]，結(jié)合設(shè)備情況，選擇GZY200的隔震橡膠支座，其有效直徑為200 mm， mm，支座高度為108 mm。隔震支座設(shè)置在各層主要設(shè)備下部，在支撐設(shè)備的四周梁上各設(shè)置1個(gè)，均勻?qū)ΨQ布置。隔震支座的力學(xué)性能見下表41：表41 隔震支座力學(xué)性能型號設(shè)計(jì)面壓/MPa水平屈服力/kN設(shè)計(jì)承載力/kN豎向剛度/kNmm1γ=50%水平性能γ=100%水平性能γ=250%水平性能等效剛度/kNmm1等效阻尼比/%屈服前剛度/kNmm1屈服后剛度/kNmm1屈服力/kN等效剛度/kNmm1等效阻尼比/%GZY300103144673319隔震支座設(shè)置在窯尾旋風(fēng)筒設(shè)備的下部，主要是在結(jié)構(gòu)的三、四、五層，每個(gè)旋風(fēng)筒支座下設(shè)置四個(gè)隔震支座，其中，窯尾結(jié)構(gòu)第三、四和五層隔震支座總個(gè)數(shù)分別為120和24。 利用Sap2000軟件，計(jì)算設(shè)置了隔震裝置的窯尾塔架，提取了該結(jié)構(gòu)前9階的自振周期，并對比普通窯尾結(jié)構(gòu)和設(shè)置隔震裝置的窯尾結(jié)構(gòu)周期，詳見表42。表42 兩種結(jié)構(gòu)的前9階自振周期結(jié)構(gòu)體系T1/sT2/sT3/sT4/sT5/sT6/sT7/sT8/sT9/s周期比普通窯尾結(jié)構(gòu)設(shè)置隔震裝置的窯尾結(jié)構(gòu)計(jì)算分析表明：普通窯尾塔架的第一、二階振型均為平動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)，設(shè)置隔震裝置后窯尾結(jié)構(gòu)的第一、二振型仍為平動(dòng)，第三振型仍為扭轉(zhuǎn)，前三階的模態(tài)見下圖42~44