高层工业厂房的被动、半主动及混合控制和振动台试验研究

摘要

随着建筑体型的多样化和非对称结构在地震区的日益增多，对建筑结构平扭耦联振动控制的研究成为了研究的热点和关注的焦点。历次震害表明，偏心的不规则建筑结构易引起明显的扭转破坏。平扭耦联振动使得结构抗震性能退化，从而使得偏心结构比对称结构更容易破坏。在有些情况下，扭转响应可能会成为结构破坏的主要因素。传统的设计方法是增加结构的抗扭刚度和调整结构布置来提高偏心结构的抗震性能。但在建筑功能既定的情况下，结构布置调整的余地很小，增加抗扭刚度，结构构件的截面将增大，同时节点构造复杂，所以传统的依靠结构自身抵御振动的方法具有局限性。消能减震抗震思想的普及和结构振动控制理论的发展，为工程结构的抗震研究与设计开辟了一个新的途径。利用在结构上设置振动控制装置来减小偏心结构振动反应的研究也相继展开，但是对于偏心工业厂房振动控制的研究存在不足。针对高层工业厂房等偏心结构在地震作用下具有平动和扭转振动的特性，本文对偏心结构体系的振动控制进行了研究，该项研究属于国家自然科学基金面上项目“高层工业厂房结构振动控制理论研究(项目编号：51278393)”的一部份，并获得如下创新性成果： （1）针对单层偏心结构体系，利用动力平衡得到结构体系的非比例阻尼运动方程。提出了近似实空间解耦方法对运动方程解耦，提高了结构在实数域内的动力响应求解精度。 （2）对考虑地面转动分量的双向偏心隔震结构进行了振动控制研究,并采用隔震装置控制地面转动分量对结构扭转响应的影响。地面转动分量会加剧结构的扭转振动，在对一些重要的建构筑物和显著偏心的结构进行抗震设计时，应考虑地面转动分量的影响，采用隔震装置可减弱地面转动分量对结构扭转响应的影响。 （3）采用悬吊质量板控制双向偏心结构的地震动响应。研究结果表明：悬吊质量板对于结构的平动和扭转振动都有控制作用，且悬吊质量板对结构扭转振动的减震率较大，使得悬吊质量板可作为控制结构扭转振动的有效措施。 （4）以江苏索普醋酸厂的钢结构化工厂房为研究对象，该厂房为带有设备的偏心工业厂房，利用有限元分析软件ANSYS建立了该厂房结构的有限元模型，通过对模型进行自振特性和动力响应分析，弄清了钢框架结构平动和扭转振动较大的楼层，并将其确定为薄弱层；同时分析了厂房中设备的地震响应；这些为制定结构控制策略提供了依据。 （5）继续以江苏索普醋酸厂的钢结构化工厂房为研究对象，研究偏心结构的混合振动控制。针对设备和钢框架结构的振动控制问题，提出了3种振动控制方案：全部采用粘滞阻尼器对设备和钢框架进行振动控制、全部采用磁流变弹性体阻尼器对设备和钢框架进行振动控制、采用粘滞阻尼器和磁流变弹性体阻尼器进行混合振动控制（粘滞阻尼器控制设备振动、磁流变弹性体阻尼器控制钢框架振动）。通过对这3种减震方案的减震效果、控制策略难易和经济角度等方面的对比，优选粘滞阻尼器和磁流变弹性体阻尼器的混合振动控制方案。即采用12个粘滞阻尼器控制设备的振动，采用12个磁流变弹性体阻尼器控制钢框架的振动。装设在设备四周的12个粘滞阻尼器使设备的位移响应减震率达到了37.06%，但对于钢框架结构的振动控制效果很小。装设在钢框架平动和扭转振动较大楼层处的12个磁流变弹性体阻尼器使得钢框架结构第2层、第6层和第8层X向位移的平均值分别减小了37.86%、33.45%和36.57%，第5层的扭转响应减小了37.37%（第6层与第5层突变处的相对扭转大大减小）。当粘滞阻尼器和磁流变弹性体阻尼器共同作用时，对钢框架结构的平动和扭转振动控制效果要好于单一阻尼器作用时的减震效果。 （6）选取1:8的缩尺比设计制作了振动台试验缩尺模型；通过振动台试验测试了结构体系的动力特性，分别对无控制、设备上装设粘滞阻尼器、同时在设备上装设粘滞阻尼器和在钢框架结构上装设磁流变弹性体阻尼器这三种工况进行了振动台试验。试验结果表明：试验测得的结构基频与时程响应和ANSYS计算的结果吻合的较好，即振动台试验模型能较好地反应原结构的特性和振动响应；在设备上装设12个粘滞阻尼器对设备减震效果显著，但对钢框架结构的减震效果很小；同时装设了粘滞阻尼器和磁流变弹性体阻尼器对钢框架结构和设备的振动都有显著控制作用。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1本课题的来源及意义

1.2结构振动控制技术及其发展

1.3文中相关的振动控制措施及其研究现状

1.4偏心结构振动控制的研究现状

1.5振动台的国内外发展和应用情况

1.6 本文主要研究内容

1.7本文的创新点

第二章 非比例阻尼偏心结构近似实空间解耦分析

2.1结构简化模型

2.2单向偏心结构运动方程的建立

2.3双向偏心结构运动方程的建立

2.4 算例

2.5本章小结

第三章 考虑地面转动分量的双向偏心隔震结构振动控制研究

3.1运动方程建立

3.2地面转动分量求解

3.3 数值计算

3.4 本章小结

第四章 悬吊质量板双向偏心结构的减震性能分析

4.1运动模型和运动方程的建立

4.2悬吊参数确定

4.3自振特性分析

4.4地震波的选取

4.5数值计算分析

4.6本章小结

第五章 偏心工业厂房在地震作用下的动力响应分析

5.1工程概况

5.2钢框架结构有限元分析

5.3本章小结

第六章 粘滞阻尼器和磁流变弹性体阻尼器对偏心工业厂房进行振动控制

6.1粘滞阻尼器对厂房中的设备进行振动控制

6.2磁流变弹性体阻尼器模型和参数确定

6.3 磁流变弹性体阻尼器对偏心工业厂房进行振动控制

6.4粘滞阻尼器和磁流变弹性体阻尼器共同作用对偏心工业厂房进行振动控制

6.5 本章小结

第七章 振动台试验

7.1振动台试验相似关系及模型设计

7.2缩尺模型与原结构的有限元验证

7.3模型设计与制作

7.4试验模型自振特性测试分析

7.5 无控制工况振动台试验

7.6设备上装设粘滞阻尼器振动台试验

7.7粘滞阻尼器和磁流变弹性体阻尼器共同作用振动台试验

7.8 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文