CFRP索悬挂建筑结构静力和动力分析及研究

论文题目: CFRP索悬挂建筑结构静力和动力分析及研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 结构工程

作者: 涂永明

导师: 吕志涛

关键词: 悬挂建筑结构,连续化分析,参数优化,频域分析,振动控制

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 我们预测,CFRP将是21世纪建造重大土木工程的新型高强高性能结构材料之一。采用CFRP索建造悬挂建筑结构,不仅可以减轻自重、提高有效承载能力,而且,可以从根本上解决拉索的腐蚀和疲劳问题,优化结构的受力性能,减少后期维护费用,使结构在综合性能和全寿命周期上受益。CFRP索悬挂建筑结构根据自然传力原理,蕴结构艺术于自然,具有深厚的建筑艺术内涵和结构美之表现力,达到了结构与建筑、功能与艺术、力与美的协调统一,是一种具有优良结构性能和发展、应用前景的高层建筑新型结构体系。CFRP索悬挂建筑结构兼有新材料和新结构体系之属性,本文对其力学性能和计算分析方法进行了较为深入的研究,如下所述。首先,分析了悬挂建筑结构的自然性和社会性,介绍了高层悬挂建筑结构的类型、国内外悬挂建筑结构及CFRP索(筋)的研究、应用与发展概况。阐述了CFRP索悬挂建筑结构的特点。建立了其结构形态与控制的概念;在回顾结构控制方法的基础上,阐述了悬挂建筑结构减振避震控制的思想。此外,展望了CFRP索悬挂建筑结构在我国的发展前景。其次,提出了CFRP索悬挂建筑结构的设计原则、计算模型及一些计算假设。CFRP索核筒悬挂建筑结构的核心筒既是竖向和水平向交通的枢纽,也是最重要的受力结构。根据正六边形六面开洞筒体的受力性能,采用连续化方法,分析了其在水平荷载、竖向荷载及扭矩作用下的力学性能,并与有限元方法计算的结果相比较,验证了文中提出的连续化分析方法的有效性,且该方法简便,节省计算时间和空间开销,可以用于实际设计分析中。再次,采用了悬挂质量控制体系(STMD)的概念,详细地分析了CFRP索悬挂建筑结构(即Super STMD,SSTMD)的能量传递及耗散规律。根据CFRP索单段悬挂结构的二自由度运动方程,推导出了地面谐振动作用下的加速度和位移响应频率传递函数以及悬挂建筑上部结构受到谐荷载激励的加速度响应频率传递函数。较为详尽地分析了调谐比、阻尼比及悬挂质量比对结构动力响应的影响。采用Den-Hartog方法推导出了绝对加速度及位移响应达到优化时的参数表达式。讨论了CFRP索悬挂建筑结构的参数优化方法,创新地提出了次结构阻尼比的极大值和合理值的概念,并由此较为全面地分析了在次结构合理阻尼比条件下的结构加速度和位移响应。引进了减振效率的概念,并分析了主、次结构的阻尼比、悬挂质量比等对减振效率的影响,表明悬挂建筑结构具有稳定的减振能力。对比分析了小质量比STMD和悬挂建筑结构的减振机理。讨论了CFRP索悬挂建筑结构减振能力的鲁棒性。然后,以随机振动为基础,将白噪声作为地面加速度激励,对二自由度CFRP索悬挂建筑结构的动力响应优化控制作了较为细致的分析。推导出了白噪声地震动激励下悬挂建筑结构的绝对加速度及位移的方差响应表达式。对CFRP索悬挂建筑结构进行了随机振动的无约束优化分析,推导出了主结构无阻尼条件下的优化参数解析表达式。对主结构有阻尼条件下的动力响应进行了优化分析,分别给出了主结构绝对加速度和位移响应的优化参数曲线。创新地对CFRP索悬挂建筑结构进行了单约束和双约束条件下的动力响应优化分析,并且证明了进行双约束优化,可以从根本上保证主结构相对位移响应的动力稳定性,避免迭代发散现象。分析了CFRP索悬挂建筑结构随机动力响应参数的优选问题,提出了四类优化目标函数和四类优化参数,并做了细致的对比,得到了有用的结果。其中,采用主结构加速度响应优化参数,可以兼顾主、次结构的绝对加速度响应及相对位移响应,减振避震的功效性与鲁棒性都很好;采用主结构相对位移响应参数,可以得到十分优良的主、次结构加速度响应以及主结构相对位移响应,然而,由其而得的次结构位移响应不太理想。接着,建立了CFRP索多段悬挂建筑结构减振体系计算模型及运动方程。确定了多段悬挂建筑结构地震动响应函数及多目标优化方法。创新地将主、次结构响应作为平等的优化目标,采用改进的理想点方法即“约束-评价函数法”对多目标优化问题进行求解。以三段悬挂建筑结构为例,阐述了CFRP索多段悬挂建筑结构减振体系参数优化方法。定义了多段悬挂建筑主结构减振效率系数。对悬挂建筑次结构位移响应进行了优化分析,表明次结构的位移响应与自身调谐比显著相关,而与其它次结构之调谐比相关性较低。分析表明,采用根据约束-评价函数优化方法得到的参数进行主、次结构响应计算,可以得到较全面的优化效果。经过参数优化后的CFRP索悬挂建筑结构的动力位移响应比普通巨型结构要优越,且采用约束-评价函数法进行参数优化具有高效、稳定的性质,比主结构位移响应优化方法合理。根据频域分析和时程计算结果,验证了经约束-评价函数法优化的悬挂建筑结构具有理想的减振效果,达到了多目标优化的根本目的。同时,对我校刘郁馨博士完成的单段核筒悬挂建筑结构模型试验作了简述,检验了悬挂建筑结构的动力性能,说明了该结构减振能力强,且验证了在一定条件下,随着主、次结构连接刚度的降低,体系减振效果增强的论点。另外,分别对CFRP索悬挂建筑主结构和主、次结构之间的抗震多道设防提出了建议。讨论了悬挂次结构振动刚度,得到了悬挂次结构精确的抗侧刚度表达式。研究了P-Δ效应下核筒侧移与箱基础倾角的静、动力耦合关系,得到了一系列有益的结果。分析了悬挂次结构刚体集合的摆动问题,建立了次结构刚体集合运动方程,并给出了计算次结构摆动位移幅值的计算公式。此外,根据现行规范,分别得到了正六边形核筒悬挂建筑主结构在不同抗震设防烈度时的名义高宽比限值。最后,介绍了配置CFRP索的悬挂转换大梁及吊杆的形式及特点。分析了转换大梁的设计原理,推导了设计公式。因为采用预应力技术和高强高性能的CFRP索,可以使得悬挂转换大梁承受荷载后处于微挠度水平,所以悬挂次结构相对于主结构的位移可以非常小,悬挂建筑的使用性能由此裨益良多。本文还简单介绍了以我校为主研究、设计并建成的国内第一座CFRP拉索斜拉桥。本文作者还与导师商量,提出了建造一座试验性的CFRP索悬挂建筑结构的建议。

论文目录:

中文摘要

ABSTRACT

第一章概述

1.1 悬挂建筑结构的特性

1.1.1 悬挂建筑结构的自然性

1.1.2 悬挂建筑结构的社会性

1.2 悬挂建筑结构的类型与工程实录

1.3 悬挂建筑结构和CFRP 索（筋）材料的研究、应用与发展概要

1.3.1 国内外悬挂建筑结构的研究、应用概况

1.3.2 CFRP 索（筋）在土木工程中的应用概况

1.4 CFRP 索悬挂建筑结构的特点

1.5 CFRP 索悬挂建筑结构的形态及振动控制概述

1.5.1 建筑、结构与形态

1.5.2 CFRP 索悬挂建筑结构的振动控制概述

1.5.3 悬挂结构控制体系

1.6 高层悬挂建筑CFRP 索结构体系在我国的应用前景

1.7 本文的主要研究内容

第二章 CFRP索正六边形核筒悬挂建筑结构连续化分析

2.1 CFRP 索悬挂建筑结构的设计原则及计算模型

2.1.1 CFRP 索高层悬挂建筑结构的设计原则

2.1.2 核心单筒式CFRP 索高层悬挂建筑结构的计算模型

2.2 水平力作用下六边形开洞核筒的力学分析

2.3 扭矩作用下六边形开洞核筒的力学分析

2.4 竖向集中力作用下六边形开洞核筒的力学分析

2.5 本章小结

第三章 CFRP索单段悬挂建筑结构减振理论及参数优化

3.1 CFRP 索悬挂建筑结构的振动控制模型

3.2 加速度频率响应分析及参数优化

3.2.1 CFRP 索单段悬挂建筑结构的动力计算模型

3.2.2 地震动加速度频率响应

3.2.3 地震动加速度响应与调谐比的关系

3.2.4 地震动加速度响应与阻尼比的关系

3.2.5 地震动加速度响应与质量比的关系

3.2.6 地震动加速度响应参数优化分析

3.2.7 悬挂建筑上部结构受谐载激励的分析及参数优化

3.3 相对位移频率响应分析及参数优化

3.4 对CFRP 索悬挂建筑结构参数优化方法的讨论

3.5 对CFRP 索悬挂建筑结构减振机理的讨论

3.5.1 小质量比STMD体系减振机理

3.5.2 大质量比悬挂建筑结构体系减振机理

3.6 对CFRP 索悬挂建筑结构鲁棒性的讨论

3.7 本章小结

第四章悬挂建筑结构随机动力参数优化

4.1 随机振动分析的频域分析方法－傅氏变换

4.1.1 傅氏变换概述

4.1.2 白噪声激励响应的傅氏变换

4.2 随机振动的无约束优化分析

4.2.1 主结构无阻尼条件

4.2.2 主结构有阻尼条件

4.3 随机振动的约束优化分析

4.3.1 次结构阻尼比一定的情况

4.3.2 次结构阻尼比一定且限制调谐比的情况

4.4 随机动力响应优化参数的选择

4.4.1 当采用主结构绝对加速度响应优化参数时

4.4.2 当采用主结构相对位移响应优化参数时

4.4.3 优化参数选用的建议

4.5 本章小结

第五章 CFRP 索多段悬挂建筑结构的减振理论及参数优化

5.1 CFRP 索多段悬挂建筑结构减振体系计算模型及运动方程

5.1.1 CFRP 索多段悬挂建筑结构减振体系计算模型

5.1.2 CFRP 索多段悬挂建筑结构减振体系运动方程

5.2 CFRP 索多段悬挂建筑结构地震动响应函数及多目标优化方法

5.2.1 CFRP 索多段悬挂建筑结构地震动响应函数向量

5.2.2 CFRP 索多段悬挂建筑结构地震动响应多目标优化方法

5.3 CFRP 索多段悬挂建筑结构减振体系参数优化

5.3.1 CFRP 索悬挂建筑主结构位移响应优化分析

5.3.2 CFRP 索悬挂建筑次结构位移响应优化分析

5.4 CFRP 索多段悬挂建筑结构减振体系动力响应的多目标函数优化

5.5 CFRP 索多段悬挂建筑结构减振体系时程分析

5.6 本章小结

第六章核筒悬挂建筑结构试验研究

6.1 试验模型

6.2 脉动动力特性试验

6.3 低周反复试验

6.4 拟动力试验

6.4.1 不同连接工况

6.4.2 不同质量的影响

6.4.3 唐山地震波的作用

6.4.4 悬挂框中的应变记录

6.5 试验结果分析

6.5.1 理论与试验结果的比较

6.5.2 地震作用的结果

6.6 本章小结

第七章对CFRP索悬挂建筑结构若干问题的讨论

7.1 CFRP 索悬挂建筑结构的减振构造

7.1.1 CFRP 索悬挂建筑主结构的抗震多道设防

7.1.2 CFRP 索悬挂建筑主、次结构之间的减振连接

7.2 对悬挂次结构振动刚度的讨论

7.3 P-Δ 效应下核筒侧移与箱基础倾角的静、动力耦合关系

7.4 考虑悬挂次结构刚体集合性质的摆动问题

7.5 对悬挂建筑主结构高宽比的讨论

7.6 本章小结

第八章高强高性能CFRP索在悬挂建筑结构中的应用

8.1 配置CFRP 索的悬挂转换大梁及吊杆形式及特点

8.2 配置CFRP 索的悬挂转换大梁设计原理

8.3 CFRP 索悬挂转换大梁开裂后分析

8.4 CFRP 索锚具研制与试验研究简介

8.5 CFRP 索结构工程实践简介

8.6 本章小结

第九章结论和展望

9.1 全文总结

9.2 需要继续研究的问题

9.2.1 理论分析及模型试验研究

9.2.2 CFRP 索悬挂建筑结构设计研究与工程实践

9.2.3 CFRP 索锚固、张拉体系的开发

参考文献

作者在攻博期间发表的论文

致谢

发布时间: 2007-06-11

参考文献

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CFRP索悬挂建筑结构静力和动力分析及研究

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