基于性能的不规则建筑结构消能减震设计方法研究

摘要

消能减震技术在不规则建筑结构设计中的应用日益广泛。消能减震设计以往大多是采用时程分析法进行反复试算直到结构的设计满足性能要求及经济要求为止，本文结合基于性能抗震设计的思想，提出了一套适用于不规则建筑结构进行减震设计和性能评估的方法，所展开的工作和取得的主要成果包括:
　　1.提出了一种不规则建筑结构消能减震设计的新方法。Kasai法中减震性能曲线可以明确量化结构减震效果，但该方法只适用于规则结构减震设计，本文结合中国规范反应谱，推导了减震结构附加阻尼比修正系数，对Kasai法实施了重大改进。包括:(1)建立了一种新型阻尼系统参数的初始分配方法;(2)基于随机振动和最优化理论建立了对平面不规则楼层平面内阻尼器的位置和参数进行优化的新方法，来合理分配每一楼层的阻尼参数;(3)开发了一种基于遗传算法结合SAP2000有限元软件的快速优化竖向不规则结构不同楼层阻尼器数量、位置和参数同步再优化的新方法。从而拓展了Kasai法在平面和竖向不规则建筑结构消能减震设计中的应用。
　　2.提出了一种适用于速度型阻尼器减震结构的拟静力弹塑性分析方法。推覆过程即进行静力弹塑性计算过程中，结构不产生速度，速度型阻尼器不出力，这样就无法考虑速度型阻尼器对结构的影响。本文提出了适用于建筑结构减震设计的“拟”静力弹塑性分析方法，通过结构“大震弹性”时程分析方法与静力弹塑性方法相结合，全面考虑了阻尼器对结构的影响，该方法是一种近似方法，在满足静力弹塑性方法的所有假定的基础上，(1)静力推覆的目标位移采用“大震弹性”时程分析结果的结构顶点位移平均值;(2)加载模式采用“大震弹性”时程分析得到的各楼层加速度荷载平均值;同时采用带轴力铰的杆单元来模拟推覆过程中的速度型阻尼器。
　　3.提出了一种基于拟静力弹塑性分析的层间能力谱法对不规则建筑结构减震设计方案进行性能评估。对一个减震设计方案及时进行评估，这样的设计才是有保证的。能力谱法可以用来评估地震作用下结构的非线性变形性能，进而对结构的抗震能力进行评估。然而，能力谱法中结构能力曲线是用结构的顶点位移—基底剪力表示的，对于不规则结构，其抗震能力往往是由薄弱层的变形能力来决定的，此时用基于等效体系的能力谱法或改进的能力谱来对竖向不规则结构进行减震性能评估则会产生较大的误差，本文针对结构竖向不规则的特点，考虑结构在地震作用下不同反应阶段的动力特性，以各楼层为研究对象，提出了竖向不规则减震结构层间能力谱法，该方法不仅可以判别出结构的薄弱层，而且可以给出建筑物每一层的抗震能力评估结果。
　　4.本文建立了一套基于改进Kasai法的不规则结构进行消能减震设计方法和基于拟静力弹塑性分析的层间能力谱法。对不规则建筑结构进行“设计—评估—再设计”的减震设计方法。并对方法中每一个环节的可靠性及时通过算例进行了的验证。本文还将这一方法应用在实际工程（不规则框架结构、不规则框架剪力墙结构）中并对分析结果进行了相应的验证，进一步体现该方法在不规则结构减震设计中的优越性。该方法可以快速得出减震优化设计方案，实现“用户定制式”的基于性能的不规则结构减震设计目标，同时可以在较短的时间内得到结构在罕遇地震下的响应，如结构塑性铰开展情况、结构位移情况、结构中阻尼器出力等，能够使设计人员及时发现结构中的薄弱楼层，并对阻尼器相关构件的强度进行校验。如果不规则结构出现塑性性能评估无法实现既定的性能目标，可以重新进行基于Kasai法的减震方案设计，直到实现性能目标为止。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 不规则建筑结构抗震设计研究进展

1．2．1 不规则结构的定义及各国设计方法

1．2．2 不规则结构的抗震设计方法现状

1．3 基于性能的建筑结构抗震设计的研究进展

1．3．1 基于性能抗震设计的定义

1．3．2 基于性能的抗震设计研究内容

1．3．3 基于性能的建筑结构抗震设计方法研究现状

1．4 基于性能的建筑结构减震设计优化方法的研究进展

1．4．1 常用消能减震技术及其设计规范

1．4．2 基于性能的建筑结构减震设计优化方法的研究现状

1．4．3 基于性能的消能减震体系阻尼器优化的研究进展

1．5 本文主要研究内容

参考文献

第二章 不规则建筑结构基于改进Kasai法的减震优化设计

2．1 引言

2．2 Kasai法减震优化设计的基本理论

2．2．1 基于Kasai法粘滞阻尼器消能减震结构设计

2．2．2 基于Kasai法软钢阻尼器消能减震结构设计

2．3 基于Kasai法减震优化设计方法的改进

2．3．1 基于性能的地震作用水平、结构性能水平及性能指标的标定

2．3．2 基于中国规范反应谱的位移谱的建立及阻尼比系数修正

2．3．3 Kasai法进行阻尼器参数初始分配的改进方法

2．3．4 基于随机振动理论建筑楼层平面内阻尼器位置的确定

2．3．5 基于遗传算法的建筑空间阻尼器位置的确定及优化

2．4 基于改进Kasai法不规则建筑结构消能减震优化设计的实现及验证

2．4．1 基于改进Kasai法减震优化设计流程

2．4．2 基于改进Kasai法不规则建筑结构消能减震优化设计验证

2．5 本章小结

参考文献

第三章 消能减震结构拟静力弹塑性分析

3．1 引言

3．2 拟静力弹塑性方法的提出

3．2．1 静力弹塑性分析应用于减震结构存在的问题

3．2．2 拟静力弹塑性分析方法的提出

3．2．3 减震结构拟静力弹塑性方法在SAP2000中的实现

3．2．4 速度型阻尼器的模拟与阻尼力修正技术

3．3 拟静力弹塑性方法算例分析与结果验证

3．3．1 结构模型的动力分析

3．3．2 多遇地震下的拟静力分析

3．3．3 罕遇地震下的拟静力弹塑性分析

3．4 罕遇地震下拟静力弹塑性分析结果验证

3．4．1 弹塑性分析模型

3．4．2 梁柱构件性能指标选取

3．4．3 两种方法的分析结果对比

3．5 本章小结

参考文献

第四章 不规则建筑结构基于层间能力谱法减震性能评估

4．1 引言

4．2 不规则建筑结构减震优化设计的层间能力谱法

4．2．1 方法的提出

4．2．2 层间需求曲线的建立

4．2．3 层间能力曲线的建立

4．2．4 层间能力谱法的计算步骤

4．3 基于性能的抗震评估计算分析

4．4 小结

第五章 不规则框架结构消能减震优化设计

5．1 引言

5．2 不规则框架结构工程概况

5．3 不规则框架结构采用软钢阻尼器消能减震优化设计

5．3．1 性能目标的确定

5．3．2 基于改进Kasai法不规则框架结构采用软钢阻尼器减震弹性优化设计

5．3．3 基于层间能力谱法不规则框架结构采用软钢阻尼器减震塑性性能评估

5．4 不规则框架结构采用粘滞阻尼器消能减震优化设计

5．4．1 性能目标的确定

5．4．2 基于改进Kasai法不规则框架结构采用粘滞阻尼器减震弹性优化设计

5．4．3 基于层间能力谱法不规则框架结构采用粘滞阻尼器减震塑性性能评估

5．5 本章小结

参考文献

第六章 不规则框-剪结构消能减震优化设计

6．1 引言

6．2 不规则框-剪结构工程概况

6．3 不规则框-剪结构采用软钢阻尼器消能减震优化设计

6．3．1 性能目标的确定

6．3．2 基于改进Kasai法不规则框-剪结构采用软钢阻尼器减震弹性优化设计

6．3．3 基于层间能力谱法不规则框-剪结构采用软钢阻尼器减震塑性性能评估

6．4 不规则框-剪结构采用粘滞阻尼器消能减震优化设计

6．4．1 性能目标的确定

6．4．2 基于改进Kasai法不规则框-剪采用粘滞阻尼器减震弹性优化设计

6．4．3 基于层间能力谱法不规则框-剪采用粘滞阻尼器减震塑性性能评估

6．5 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

附录

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致谢