核筒悬挂建筑结构的减震分析及CFRP索结构设计

摘要

悬挂建筑结构是高层建筑中一种合理的新型体系，能够充分利用高强材料的力学性能，带来建筑室内和底部大空间，解决建筑功能与结构构造之间的矛盾，有利于抗风和抗震，实现建筑物的坚固、实用和艺术美的三方面的统一，将产生良好的社会和经济效益。核筒悬挂减震结构体系将结构方案和减震措施巧妙结合起来，减震效果显著，为高层和超高层建筑的结构控制和减震理论的发展开拓了新的思路。为此，本论文专门研讨了核筒悬挂建筑结构的减震及CFRP的应用中的若干问题。 在本论文中：首先，对单段核筒悬挂结构，给出了设计要点，推导了在地面简谐动力作用和白噪声作为地震加速度激励输入下结构的位移和加速度的频率传递函数。详细分析了阻尼比、频率比和悬挂质量比等参数对结构幅值响应的影响。在已有的分析结果上，给出了主体结构无阻尼情况下的结构响应最优的影响参数解析表达式和主体有阻尼情况下的数值优化分析结果，并给出了优化的目标函数和约束条件，总结出了参数优化设计的基本思路。 其次，采用频域分析和时域分析的方法，深入分析了多段核筒悬挂减震结构体系在地震激励作用下的响应规律。分析表明：核筒悬挂减震结构有着良好的减震效果，且其减震效果与主次结构频率比f及次结构阻尼比ξs有关；随着频率比的增大，核筒顶点的侧移先减小后增大，核筒与悬挂楼段的相对位移减小；存在最优频率比，可使得核筒顶点位移最小；随着阻尼比的增大，核筒顶点的侧移略有减小，核筒与悬挂楼段的相对位移减小。 再次，建立了核筒悬挂减震结构的有限元分析模型。模态分析表明，核筒悬挂减震结构的模态主要以核筒和悬挂楼段的各自振动为主。时程分析表明，核筒悬挂建筑结构有着良好的减震性能：核筒的顶点侧移可以减小到55％左右；核筒的基底剪力可以减小到65％左右。提出了核筒悬挂减震结构的参数设置方法及步骤，能够较快地得到核筒悬挂减震结构的关键参数设置。 最后，对核筒悬挂建筑结构中的悬挂大梁进行了分析，阐述了配置CFRP索作为预应力索的悬挂转换大梁的分析与设计方法，并以具体配置实例说明转换大梁的设计步骤。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1悬挂结构的应用与研究现状

1.1.1悬挂结构体系的发展

1.1.2悬挂建筑结构的应用

1.1.3悬挂结构的研究现状

1.2结构振动控制研究和应用现状

1.2.1结构控制的分类

1.2.2被动控制

1.2.3主动控制

1.2.4混合控制及半主动控制

1.3 FRP筋的应用与研究现状

1.4本文的研究内容及思路

第2章单段核筒悬挂结构的参数设置及优化

2.1设计原则及分析模型

2.1.1核筒悬挂建筑结构的设计要点

2.1.2单段核筒悬挂减震控制模型

2.1.3主次结构的系统控制

2.2运动方程及频响函数

2.2.1运动方程

2.2.2频率响应函数

2.3在复简谐激励作用下的减震效果分析

2.3.1减震系数及有效域的定义

2.3.2频率比f对幅值响应的影响

2.3.3次结构阻尼比ξs对幅值响应的影响

2.3.4主次结构质量比μ对幅值响应的影响

2.3.5减震系数曲面

2.4随机动力响应及优化

2.4.1随机动力响应方程

2.4.2主结构无阻尼优化的解析解

2.4.3主结构有阻尼优化的数值解

2.5参数优化方法及设置思路

2.6本章小结

第3章多段核筒悬挂结构的减震分析

3.1计算模型及运动方程

3.1.1计算模型

3.1.2整体坐标系下的运动方程

3.1.3局部坐标系上的运动方程

3.1.4局部振型坐标系下的运动方程

3.1.5随机振动响应的计算方法

3.2频域分析

3.2.1地震作用的模拟

3.2.2减震效果分析

3.3时域分析

3.3.1有限元分析模型

3.3.2悬挂减震结构的振型特点

3.3.3地震波的选择及调整

3.3.4减震效果分析

3.4本章小结

第4章CFRP索在核筒悬挂结构中的应用

4.1 FRP筋及锚具简介

4.1.1 FRP筋材的性能

4.1.2锚固体系的研发

4.2配置CFRP索的悬挂转换梁的设计

4.2.1悬臂梁形式与构造要求

4.2.2配置CFRP索的悬臂梁的设计原理

4.2.3悬臂转换大梁的设计示例

4.3配置CFRP索的悬挂吊杆的设计

4.3.1悬挂吊杆的分类

4.3.2配置CFRP的悬挂吊杆的设计原理

4.3 CFRP索应用的展望

4.4本章小结

第5章全文总结

5.1本文完成的主要内容

5.2有待进一步研究的问题

参考文献

致 谢