速度相关型被动消能体系设计方法与优化控制

论文摘要

在结构中合理的设置阻尼器(即被动消能装置)可以吸收或消耗输入结构中的一部分地震能量,减小结构位移,改善结构的抗震性能,使可能的结构损坏降低到最低程度。近年来,被动消能作为地震控制的一种新技术,在新建的和加固改造的土木工程结构中已得到快速的应用,其理论研究也愈来愈得到重视。目前,被动消能技术仍在不断的发展之中,许多问题需要进一步研究。本文共分为五章,针对速度相关型被动消能体系的设计方法与优化控制问题进行研究,得到了以下成果:1、对粘滞阻尼器被动消能体系提出了改进的基于位移设计方法。以静力非线性分析(Pushover)方法为基础,绘制出多自由度结构等效单自由度结构体系的二折线恢复力骨架;选择合适的地震波对其进行非线性时程分析,直接确定所需阻尼器的附加阻尼比。本文针对新建和加固改造的房屋结构的不同特点,对它们的设计方法分别进行了说明。对于被动消能体系,指出采用振型分解反应谱法对尚未安装阻尼器的无控结构进行设计时,需要考虑阻尼器附加阻尼比的影响。2、提出了确定所需粘弹性阻尼器的附加阻尼比的简单迭代方法,使改进的基于位移设计方法能够应用于粘弹性阻尼器被动消能体系。根据粘弹性阻尼器等效刚度和阻尼系数的相关性,建立了粘弹性阻尼器在消能体系中附加阻尼比与其附加刚度的关系式。对于假定的附加阻尼比,计算出其相应的附加刚度,再对等效单自由度体系进行非线性时程分析,直到最大位移响应在目标位移精度范围内为止。讨论了粘弹性阻尼器的附加刚度对尚未安装粘弹性阻尼器的新建结构采用振型分解反应谱方法设计的影响,并对地震影响系数修正公式的选取提出了建议。本文给出算例对提出的速度相关型被动消能体系基于位移设计方法进行了验证,结果表明该方法简单直接,精度可靠。3、不拆分运动方程中粘弹性阻尼器的控制力,构造Lyapunov函数,从随机响应的角度出发计算粘弹性阻尼器附加给结构的阻尼比,使得粘弹性阻尼器对结构的减震控制可以只用附加阻尼比来表征,给粘弹性阻尼器被动消能体系设计带来了有效的简化。拆分阻尼器控制力,用同样的方法得出的粘弹性阻尼器附加阻尼比计算公式和目前常用的计算公式完全相同。本文对两种方法进行了比较,表明单自由度体系或者多自由度结构的等效单自由度体系的地震响应在弹性范围内时,本文方法具有足够的精度。4、把速度相关型被动消能体系当作一个控制系统,基于EE、EP增益指标对感兴趣的被调输出(如层间位移)进行了优化控制。对于一定数量的阻尼器,利用

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 速度相关型被动消能体系的发展和现状
• 1.3 速度相关型被动消能体系的现有设计方法
• 1.4 速度相关型被动消能体系的优化控制
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 结构非线性静力分析
• 2.1 引言
• 2.2 Pushover 分析方法的基本理论
• 2.2.1 等效单自由度体系
• 2.2.2 目标位移
• 2.2.3 加载模式
• 2.2.4 Pushover 分析的实施步骤
• 2.3 振型 Pushover 分析（MPA）方法
• 2.3.1 非耦合运动方程
• 2.3.2 MPA 方法的基本步骤
• 2.3.3 与时程分析方法的比较
• 2.4 改进的能力谱方法
• 2.4.1 非弹性设计谱
• 2.4.2 改进能力谱方法基本步骤
• 2.5 小结
• 第3章 速度相关型被动消能体系的设计方法
• 3.1 速度相关型阻尼器的分析模型
• 3.1.1 粘滞阻尼器分析模型
• 3.1.2 粘弹性阻尼器分析模型
• 3.2 非线性静力方法
• 3.2.1 Method 1
• 3.2.2 Method 2
• 3.3 改进的基于目标位移的设计方法
• 3.3.1 阻尼器在结构中的安装形式
• 3.3.2 粘滞阻尼器被动消能体系
• 3.3.3 粘弹性阻尼器被动消能体系
• 3.4 地震波的选取
• 3.5 速度相关型被动消能体系动力时程分析
• 3.5.1 恢复力模型
• 3.5.2 结构的计算模型简化
• 3.5.3 数值积分方法
• 3.5.4 非平衡力及拐点的处理
• 3.6 算例
• 3.6.1 新建5 层钢筋混凝土框架结构
• 3.6.2 已建10 层钢筋混凝土框架结构加固
• 3.7 小结
• 第4章 速度相关阻尼器附加等效阻尼比的计算
• 4.1 速度相关被动消能体系随机响应的等效线性化方法
• 4.1.1 运动方程
• 4.1.2 等效线性化方法
• 4.2 速度相关阻尼器的附加等效阻尼比
• 4.2.1 构造李雅普诺夫函数
• 4.2.2 P 和α的计算
• 4.2.3 速度相关阻尼器的附加等效阻尼比
• 4.3 附加等效阻尼比计算公式
• 4.4 附加等效阻尼比两种计算方法的比较
• 4.4.1 单自由度体系的地震响应为线弹性
• 4.4.2 单自由度体系的地震响应为非线性
• 4.3.3 多自由度体系
• 4.5 小结
• 第5 章速度相关被动消能体系基于 EE、EP 增益的优化设计
• 5.1 运动方程的状态空间描述
• 5.2 EE、EP 增益指标
• 5.2.1 EE 增益指标
• 5.2.2 EP 增益指标
• 5.3 线性矩阵不等式问题的求解
• 5.3.1 内点法
• 5.4 速度相关阻尼器的优化设计
• 5.4.1 速度相关阻尼器的等效线弹性刚度与粘滞阻尼系数的关系
• ee和Γ_ep 的最小值'>5.4.2 搜索最小扰动抑制度γ或增益Γ_ee和Γ_ep的最小值
• 5.5 数值仿真与分析
• 5.5.1 10 层钢筋混凝土框架结构
• 5.5.2 20 层钢框架结构
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢