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带伸臂加强层及其阻尼体系的超高层建筑风振控制研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 超高层建筑的发展

1.1.2 风荷载对结构的影响

1.2 结构风振控制概述

1.2.1 结构振动控制概念

1.2.2 高层建筑风振被动控制的发展应用

1.3 伸臂加强层阻尼体系概述

1.3.1 加强层的作用及存在的问题

1.3.2 伸臂加强层阻尼体系的提出及研究现状

1.4 本论文的主要研究内容

1.4.1 现有研究存在的问题

1.4.2 本论文的主要研究内容及创新点

1.4.3 本论文的写作顾序

第二章 风荷载基本理论及结构抗风要求

2.1 风荷载基本概念

2.1.1 风荷载概述

2.1.2 平均风与脉动风

2.2 风荷载对结构的作用

2.3 风荷载的基本特性

2.3.1 风速与风压的关系

2.3.2 高层建筑风荷载的研究方法

2.4 结构抗风设计要求

第三章 结构风振控制分析相关理论与方法

3.1 风振控制结构分析模型

3.1.1 结构分析模型

3.1.2 有限元分析软件ETABS

3.1.3 阻尼器模拟单元

3.2 基于能量平衡原理的风振控制分析

3.3 快速非线性分析FNA方法

3.3.1 基本平衡方程

3.3.2 非线性模态方程的形成

3.3.3 非线性模态方程的求解

3.4 基于元素交换法的阻尼器最佳化配置

3.4.1 阻尼器最佳化配置概述

3.4.2 目标函数为各楼层最大层间位移之平方和的元素交换法

第四章 带加强层体系的结构风振响应分析

4.1 建筑模型及风荷载

4.1.1 建筑结构信息

4.1.2 三维风荷载

4.2 结构风荷载分析模型

4.2.1 结构风荷载分析模型的建立

4.2.2 风向角的选定

4.3 建立带加强层体系的结构模型

4.4 带加强层体系的结构风振响应分析

4.4.1 耗能性能——风振时程能量对比

4.4.2 舒适性能——加速度及速度对比

4.4.3 抗侧移性能——位移及层间位移角对比

4.4.4 抗扭转性能——扭转角对比

4.4.5 框架柱性能——轴力及剪力对比

4.4.6 抗倾覆性能——基底弯矩对比

4.5 本章小结

第五章 带伸臂加强层阻尼体系的结构风振控制分析

5.1 粘滞阻尼器(VFD)

5.2 伸臂加强层阻尼体系的分类与改进

5.2.1 周云提出的伸臂加强层阻尼体系

5.2.2 本文采用的周云式伸臂加强层阻尼体系

5.2.3 Smith提出的伸臂加强层阻尼体系

5.2.4 本文提出的改进型Smith伸臂加强层阻尼体系

5.3 建立带伸臂加强层阻尼体系的结构模型

5.4 带伸臂加强层阻尼体系的结构风振控制分析

5.4.1 耗能性能——风振时程能量对比

5.4.2 舒适性能——加速度及速度对比

5.4.3 抗侧移性能——位移及层间位移角对比

5.4.4 抗扭转性能——扭转角对比

5.4.5 框架柱性能——轴力及剪力对比

5.4.6 抗倾覆性能——基底弯矩对比

5.5 本章小结

第六章 改进型加强层竖向粘滞阻尼器体系的优化设计

6.1 优化设计方法概述

6.2 阻尼指数优化

6.2.1 阻尼指数优化概述

6.2.2 阻尼指数优化结果

6.3 阻尼系数优化

6.3.1 阻尼系数优化概述

6.3.2 阻尼系数优化结果

6.4 阻尼体系位置优化

6.4.1 阻尼体系位置优化概述

6.4.2 阻尼体系位置优化结果

6.5 阻尼体系配置优化

6.5.1 阻尼体系配置优化概述

6.5.2 阻尼体系配置优化过程

6.5.3 阻尼体系配置优化结果

6.6 本章小结

第七章 论文总结与展望

7.1 论文总结

7.2 展望

参考文献

致谢

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摘要

随着建筑高度的逐渐增高,风荷载对超高层建筑的影响作用日益突出。为增强结构的抗侧移性能,学者们相继提出了伸臂加强层体系和伸臂加强层阻尼体系的概念。目前主要有2类伸臂加强层阻尼体系:周云提出的耗能减振层体系和Smith提出的竖向粘滞阻尼器体系。关于这2类阻尼体系的地震控制作用研究已较为深入,并均有成功应用于工程的实例。然而,在风振控制领域,国内外学者对伸臂加强层阻尼体系的相关研究却屈指可数。
  本文在其他学者的研究基础之上,针对Smith伸臂加强层阻尼体系存在的不足,提出改进型加强层竖向粘滞阻尼器体系;利用ETABS有限元软件和风洞试验数据,基于空间有限元模型,分别进行伸臂加强层及其阻尼体系的三维风振控制研究,并对改进型加强层竖向粘滞阻尼器体系进行优化设计。主要包括以下内容:
  1、利用ETABS有限元分析软件,建立一个69层,304.2米高的框架-核心筒结构模型。在该模型基础上,通过加设伸臂构件、环带构件以及伸臂加强层阻尼体系,分别形成相应的伸臂加强层模型和伸臂加强层阻尼体系模型。
  2、研究伸臂加强层体系的风振响应。计算表明:设置加强层体系能在一定程度上降低结构的侧向位移,但对降低加速度的作用效果有限;同时还会造成结构刚度突变,在加强层附近几层形成薄弱层。
  3、研究伸臂加强层阻尼体系的风振控制作用。计算表明:水平形粘滞阻尼器体系和改进型竖向粘滞阻尼器体系均是优秀的结构风振被动控制体系,均能有效降低水平风荷载作用下的结构动力响应;二者在具体性能上各具优势。
  4、对改进型加强层竖向粘滞阻尼器体系进行优化设计。计算表明:对于该阻尼体系,阻尼指数的减小、阻尼系数的增大并不能使结构的风振控制效果达到最佳;该阻尼体系设置于结构的下部楼层能更好的发挥风振控制作用;采用元素交换法可快速完成该阻尼体系最佳配置的优化设计。

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