新型金属阻尼器减震结构的试验及理论研究

论文摘要

消能减震作为迅速发展起来的一门新技术通过在建筑结构的适当部位设置消能器以增加结构阻尼，从而减小结构在风和地震作用下的反应。我国现行《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）将隔震和消能减震设计作为重要内容专门设置一个章节，这预示着消能减震设计广泛应用的时代即将到来。本文基于已有消能减震结构的理论基础上，在以下方面进行了研究： （1）提出一种设计金属阻尼器的新思路：利用钢板平面内受力提高初始刚度，并通过改变钢板平面几何形状增加变形耗能能力。对具有不同几何形状的钢阻尼器模型进行拟静力往复加载的模型及原型试验研究，给出了两种初始刚度大，耗能能力好的钢阻尼器，同时验证了采用此方法设计钢阻尼器是可行的。数值模拟结果表明，此类钢阻尼器对结构位移控制效果明显。 （2）对装有新型钢阻尼器的二层框架结构进行了模拟地震振动台试验，通过能量分析的方法检验地震过程中新型钢阻尼器的耗能能力；并采用有限元方法进行了振动台试验的数值仿真。试验及数值计算分析结果均表明，两种新型钢阻尼器具有在小震下为结构提供初始刚度，大震下消耗地震能的双重功能（也称“双功能”钢阻尼器）。 （3）对位移型消能减震结构阻尼器的布置位置及参数设计进行了优化研究，提出了一种基于遗传算法的新型优化数学模型，模型目标函数体现了明确的设计意义，在保证几种地震波作用下结构最大层间位移角接近设计值的前提下，尽可能使得应用的耗能体系刚度最小。同时解决了不同地震波作用下优化结果各不相同，优化参数难以选择的问题，是一种有效的参数优化设计方法。 （4）对于消能减震结构，提出一种基于位移的抗震设计方法，通过以结构构件设计为主，消能器为强度补充的设计思想减少以往基于位移设计方法中大量的迭代过程。在现阶段我国没有合适的位移设计反应谱情况下，建议短周期建筑采用规范中加速度转化为位移的方法来建立位移反应谱，中、长周期采用地震记录积分的方法获得位移反应谱。数值算例分别采用具体地震记录建立的位移反应谱及加速度转化的位移反应谱进行结构设计，通过加速度时程分析分别验证了该方法的准确性与实用性。 （5）对于消能减震偏心结构时程分析方法进行了研究，建立了消能减震偏心结构的计算方法和动力方程。采用该方法对一装有新型钢阻尼器的五层偏心结构进行双向地震动作用下的动力反应分析。结果表明，新型钢阻尼器不但减小了结构的水平位移反应，同时对于多维地震作用下的扭转变形也有较为明显的减震效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 结构振动控制概述
• 1.3 结构振动控制分类及应用
• 1.3.1 被动控制
• 1.3.2 主动控制
• 1.3.3 半主动控制
• 1.3.4 混合控制
• 1.4 位移型消能减震技术的研究进展
• 1.4.1 位移型消能器及应用
• 1.4.2 位移型消能减震结构设计方法
• 1.5 本文主要研究内容
• 2 新型钢阻尼器的提出与拟静力试验研究
• 2.1 新型钢阻尼器的提出
• 2.2 拟静力模型试验研究
• 2.2.1 试验装置及设备
• 2.2.2 工字型钢阻尼器
• 2.2.3 双圆孔型钢阻尼器
• 2.2.4 单圆孔型钢阻尼器
• 2.2.5 条型钢阻尼器
• 2.2.6 双X型钢阻尼器
• 2.2.7 小结
• 2.3 拟静力原型试验研究
• 2.3.1 试验设备及装置
• 2.3.2 试验结果
• 2.4 数值分析
• 2.4.1 有限元方法
• 2.4.2 本构模型
• 2.4.3 数值分析结果
• 2.4.4 数据对比
• 2.5 优化研究
• 2.5.1 拓扑优化
• 2.5.2 参数优化
• 2.6 本章小结
• 3 新型钢阻尼器的振动台试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 振动台试验
• 3.2.1 框架模型设计
• 3.2.2 阻尼器模型设计
• 3.2.3 加载及测试方案
• 3.2.4 结构动力参数
• 3.2.5 结构动力反应
• 3.2.6 有控与无控结构反应对比
• 3.3 数值仿真
• 3.3.1 有限元模型建立
• 3.3.2 结果分析
• 3.4 能量耗散分析
• 3.4.1 消能减震结构的能量方程
• 3.4.2 耗能分析
• 3.5 本章小结
• 4 消能减震结构的布置及参数优化研究
• 4.1 引言
• 4.2 消能器位置优化研究
• 4.2.1 研究现状
• 4.2.2 遗传算法及计算模型
• 4.2.3 算例1
• 4.2.4 算例2
• 4.2.5 控制参数研究
• 4.3 消能减震结构参数优化设计
• 4.3.1 参数优化简介
• 4.3.2 优化数学模型的建立
• 4.3.3 优化及设计流程
• 4.4 数值算例
• 4.4.1 工程概况
• 4.4.2 优化参数
• 4.4.3 优化结果
• 4.4.4 结论验证
• 4.5 本章小结
• 5 基于位移的消能减震结构抗震设计方法
• 5.1 性能设计方法概述
• 5.2 基本理论
• 5.2.1 消能器基本理论
• 5.2.2 非线性结构等效阻尼计算方法
• 5.2.3 位移反应谱
• 5.3 基于位移的消能减震结构设计流程
• 5.4 算例分析
• 5.4.1 设计资料
• 5.4.2 设计过程
• 5.4.3 分析验证
• 5.4.4 规范加速度谱转为位移反应谱算例
• 5.5 本章小结
• 6 位移型消能减震偏心结构多维抗震分析方法
• 6.1 引言
• 6.2 时程分析法
• 6.2.1 位移型消能减震偏心结构的运动方程
• 6.2.2 消能装置恢复力模型
• 6.2.3 数值求解方法
• 6.2.4 算例
• 6.3 简化能力谱分析方法
• 6.3.1 能力谱方法概述
• 6.3.2 基本理论
• 6.3.3 位移型消能减震结构平面推覆分析方法
• 6.3.4 位移型消能减震结构抗扭转能力分析
• 6.3.5 位移型消能减震偏心结构能力谱合成
• 6.3.6 能力谱曲线计算流程
• 6.3.7 数值算例
• 6.4 结构性能评估
• 6.4.1 能力谱的转化
• 6.4.2 需求谱
• 6.5 本章小结
• 7 消能支撑对结构不利因素影响
• 7.1 引言
• 7.1.1 薄弱节点
• 7.1.2 强柱弱梁形式的改变
• 7.2 框架柱轴力影响的提出
• 7.2.1 引例
• 7.2.2 推覆分析
• 7.3 框架柱轴力验算内容
• 7.3.1 荷载效应组合
• 7.3.2 消能支撑引入的框架柱附加轴力计算方法
• 7.3.3 截面承载力验算
• 7.3.4 轴压比验算
• 7.4 算例
• 7.4.1 工况
• 7.4.2 无消能支撑框架柱荷载统计
• 7.4.3 安装消能支撑后框架柱验算
• 7.4.4 安装消能支撑前后框架柱轴力对比
• 7.5 本章小结
• 8 工程应用
• 8.1 工程资料
• 8.2 消能体系设计
• 8.2.1 设计流程
• 8.2.2 框架节点及钢阻尼器设计
• 8.3 加工与制作
• 8.4 减震性能分析
• 8.4.1 模型建立
• 8.4.2 模态分析
• 8.4.3 时程分析
• 8.5 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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