钢铅组合耗能器和高层三维隔震抗倾覆系统研究

摘要

耗能减振和隔震是结构振动控制的有效手段，在工程实际中已逐步得到推广应用。钢铅组合耗能器是一种位移型阻尼器，具有构造简单、良好的力学性能以及较高的性价比等特点，具有很好的应用前景。在所有的隔震技术中，橡胶垫隔震是应用最为广泛的，但是橡胶垫抗拉能力差，如果应用于大高宽比结构，在地震作用下的隔震结构易倾覆。同时，地震动竖向分量对一些结构的破坏起到至关重要的影响，因此隔离地震动三分量的隔震技术的研究也正在逐步展开。因此，研究具备三维隔震和抗倾覆功能的三维隔震抗倾覆装置具有重要的理论意义和实用价值。本文以钢铅组合耗能器和三维隔震抗倾覆装置及其控制下的结构体系为研究对象，在以下几方面进行了系统的理论分析和试验研究：
　　1.在已有的钢铅组合耗能器初步研究成果基础上，对其辅方向的性能进行了较详细的数值计算及分析，最终得到误差较小的屈服强度、弹性刚度及屈服后刚度比与几何参数之间的二次多项式回归公式。利用均匀设计法和遗传算法分别对耗能器的几何参数进行优选，得到一批性能较好的耗能器可供选择，为钢铅组合耗能器的工程应用提供依据。
　　2.设计了小尺寸钢铅组合耗能器，将该耗能器安装在单层和多层钢框架模型结构上，对结构体系进行振动台试验以检验耗能器的实际耗能减震效果。在进行振动台试验前，先对该小尺寸钢铅组合耗能器进行拟静力试验，研究其力学性能，并对耗能器的试验方法和加工工艺进行改进。利用有限元分析软件对耗能体系进行数值建模及分析，将振动台试验结果与数值分析结果进行了对比。结果表明数值建模合理，耗能器能够有效降低结构的地震反应。
　　3.开发设计了三种三维隔震抗倾覆装置，以实现隔离地震动三分量和提高大高宽比隔震结构抗倾覆能力的思想。详细介绍了这些装置的构造、加工以及各组成部件对应所实现的功能。利用电液伺服压剪试验机和电子万能试验机，对组成这些装置的各部件以及装置整体进行详细的性能试验，以获得装置的基本力学性能参数，同时研究加载幅值、加载频率等对装置性能的影响。各部件的分体试验和装置的整体试验结果吻合较好，因此通过试验获得各部件的性能即可预知装置整体的性能。
　　4.目前对于大高宽比三维隔震结构还缺乏相应的试验研究。在对三种三维隔震抗倾覆装置进行详细的性能研究的基础上，选择其中的碟型弹簧三维隔震抗倾覆装置安装在一大高宽比钢结构模型上，对三维隔震抗倾覆系统与非隔震体系进行了地震模拟振动台对比试验研究，研究在不同峰值的各类地震动作用下，装置对结构的隔震减震效果以及抗倾覆作用。探讨三维隔震抗倾覆结构在多维地震动作用下的反应特点。试验结果表明，三维隔震抗倾覆装置对大高宽比结构有较好的三维隔震、耗能以及抗倾覆效果。
　　5.依据三维隔震抗倾覆装置的设计经验，按照各个组成部件分别总结了三维隔震抗倾覆装置的实用设计方法，给出了实用的计算公式；同时指出了设计中应当注意的问题以及一些构造措施。为三维隔震抗倾覆装置的设计加工提供较为系统的参考。

目录

钢铅组合耗能器和高层三维隔震抗倾覆系统研究

RESEARCH ON COMBINED STEEL LEAD DAMPER AND THREE-DIMENSIONAL BASE ISOLATION AND OVERTURN RESISTANCE SYSTEM OF HIGH-RISE STRUCTURE

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题来源、背景和研究意义

1.2 结构振动控制分类

1.2.1 被动减振控制

1.2.2 主动与智能控制

1.2.3 半主动控制和混合控制

1.3 基础隔震的研究现状

1.4 隔震结构抗倾覆的研究现状

1.5 金属耗能器的研究现状

1.6 本文的主要研究内容

第2章 钢铅组合耗能器的理论研究

2.1 钢铅组合耗能器简介

2.2 钢铅组合耗能器数值计算

2.2.1 有限元模型的建立

2.2.2 计算结果及分析

2.3 钢铅组合耗能器恢复力模型

2.3.1 主方向恢复力模型特征参数

2.3.2 辅方向恢复力模型特征参数回归

2.4 钢铅组合耗能器参数优选

2.4.1 主方向几何参数优选

2.4.2 辅方向几何参数优选

2.5 本章小结

第3章 钢铅组合耗能器试验研究

3.1 振动台试验用钢铅组合耗能器性能试验

3.1.1 试验现象、试验结果及分析

3.1.2 工艺改进后的试验现象、试验结果及分析

3.2 单层钢框架振动台试验

3.2.1 试验参数

3.2.2 单向输入地震反应分析

3.2.3 双向输入地震反应分析

3.3 多层钢框架振动台试验及数值模拟

3.3.1 试验参数

3.3.2 耗能体系数值模拟

3.3.3 理论计算与试验结果对比分析

3.4 耗能体系控制效果

3.5 本章小结

第4章 三维隔震抗倾覆装置性能试验研究

4.1 三维隔震抗倾覆装置设计制作

4.2 三维隔震抗倾覆装置水平向力学性能试验

4.2.1 普通无铅芯橡胶支座性能试验

4.2.2 铅芯橡胶支座性能试验

4.2.3 三维装置整体水平性能试验

4.3 三维隔震抗倾覆装置竖向力学性能试验

4.3.1 普通橡胶支座竖向性能试验

4.3.2 叠层厚橡胶支座竖向性能试验

4.3.3 弹簧支座竖向性能试验

4.3.4 三维装置整体竖向性能试验

4.4 本章小结

第5章 三维隔震抗倾覆系统振动台试验

5.1 模型结构及其相似关系

5.2 振动台试验方案

5.3 单向地震动输入地震反应分析

5.3.1 加速度反应

5.3.2 基底剪力反应

5.3.3 位移反应

5.4 双向地震动输入地震反应分析

5.4.1 加速度反应

5.4.2 基底剪力反应

5.4.3 位移反应

5.5 三向地震动输入地震反应分析

5.5.1 加速度反应

5.5.2 基底剪力反应

5.5.3 位移反应

5.6 本章小结

第6章 三维隔震抗倾覆装置实用设计方法

6.1 水平装置设计及相关理论

6.1.1 竖向刚度

6.1.2 水平刚度

6.1.3 屈曲荷载

6.2 竖向装置设计及相关理论

6.2.1 碟形弹簧支座

6.2.2 环形弹簧支座

6.2.3 厚橡胶层橡胶支座

6.3 钢丝绳设计

6.4 连接及其它构造措施

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性说明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历