巨型框架多功能减振结构在地震和风作用下的综合优化方法研究

摘要

随着建筑物高度的增加，结构所承受的水平荷载(主要包括地震作用和风荷载)迅速增大，为了满足结构安全度和舒适度的要求，如果按照传统的抗震设计方法，对于高层和超高层建筑，往往需要付出很大的代价。结构控制方法通过采取适当的消能减振措施，减小结构在地震作用和风荷载两种激励作用下的响应，可以克服传统设计方法的缺陷。结构控制可分为被动控制、主动控制、混合控制和半主动控制等，其中被动控制的研究和应用最为成熟。巨型框架多功能减振结构体系将结构方案和减振措施巧妙地结合起来，具有调频质量减振、基础隔振和阻尼器耗能减振等多种减振功能，减振效果非常显著，为高层和超高层建筑的结构控制和减振理论开拓了新的思路。 在本课题组近年来的研究成果的基础上，根据随机振动理论和有限元方法，通过频域和时域分析，本文研究了巨型框架多功能减振结构在地震作用和风荷载两种激励作用下的响应规律和综合优化方法。 深入研究了巨型框架多功能减振结构在地震和风这两种激励作用下的减振规律，其中，对于风荷载作用下的减振规律的研究为首次进行。虽然地震和风这两种激励的频谱特性和作用方式有显著的不同，但是在这两种激励的作用下，巨型框架多功能减振结构减振系数的变化规律有许多共性，通过合理的设计，可以实现在这两种激励作用下都能达到较好的减振效果。巨型框架多功能减振结构的减振系数的主要变化规律为：①主框架顶点侧移减振系数随调谐比的增大而先减小后增大；随阻尼比的增大而先减小后略有增大。减振系数曲面变化比较平缓，存在一个明显的最优值。与普通TMD系统相比，巨型框架多功能减振结构减振效果更好，减振系数最优值对应的最优调谐比远小于1，最优阻尼比较大。②随着阻尼比的增大，主、次框架相对位移减小；而随着调谐比的增大，主、次框架相对位移略有减小。⑨风荷载作用下，次框架的加速度减振系数普遍较小。随着调谐比的增大，次框架的加速度略有增大；随着阻尼比的增大，次框架加速度减小。 采用频域和时域分析方法，首次深入研究了隔振次框架的个数和动力参数对巨型框架多功能减振结构在地震和风作用下的减振效果的影响，得出了如下重要规律：①对于同一种激励，当巨型框架多功能减振结构设置数目不同的隔振次框架时，减振系数的变化规律相似。设置多个隔振次框架时的减振效果比设置1个隔振次框架时的减振效果好。②当巨型框架多功能减振结构设置1个隔振次框架时，应将其调谐到结构第一频率，用来削减结构第一频率对应的响应。隔振次框架的位置不同，削减的效果不同。隔振次框架设置于结构顶部时减振效果最好，不同位置对应的最优调谐比的规律是从上到下逐步增大。③当巨型框架多功能减振结构设置多个隔振次框架时，本文从结构层数、竖向刚度和质量的分布以及输入激励的特性等多方面分析后认为，因为结构第一频率对应的响应是总响应的主要成分，所以这些隔振次框架应调谐到结构第一频率，以达到最优的减振效果。 采用多目标的有效域优化方法，首次对影响巨型框架多功能减振结构在地震和风两种激励作用下减振效果的重要参数进行综合优化分析，得出如下结论：①在5个优化目标中(地震作用下：主框架顶点侧移，主、次框架相对位移：风荷载作用下：主框架顶点侧移，主、次框架相对位移，次框架加速度)，地震和风荷载作用下的主框架顶点侧移是应该优先考虑的指标；地震和风荷载作用下的主、次框架相对位移应满足限值的要求：而风荷载作用下的次框架加速度值普遍较小，在一般情况下容易满足限值要求，所以在方案分析阶段，也可以暂不将它列为优化目标。②在调谐比和阻尼比这两个关键参数中，调谐比是更为重要的参数，选择最优调谐比是巨型框架多功能减振结构方案优化的重要内容。 采用有限元方法，对巨型框架多功能减振结构在地震作用和风荷载两种激励作用下的减振效果进行分析和验证，结果表明：①对于主框架顶点侧移和主、次框架相对位移以及次框架加速度减振系数，频域分析和时域分析的结果相互符合；②设置多个隔振次框架，当次框架参数同步变化时，顶部次框架的相对位移和加速度最大，因此，在方案分析阶段，可以仅将顶部次框架的相对位移和加速度作为优化目标，其余隔振次框架的相对位移和加速度在后续分析中验算即可；③设置多个隔振次框架，当阻尼比一定，调谐比间隔变化(从上到下逐步增大)时，与调谐比同步变化相比，对顶点侧移的减振效果影响有限，从而可以通过微调各次框架的调谐比，进一步控制主、次框架相对位移和次框架加速度。 最后，本文通过一个设计实例，阐述了巨型框架多功能减振结构考虑地震作用和风荷两种激励时，在方案设计阶段的优化分析方法。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1巨型结构体系的应用和研究现状

1.1.1巨型结构体系的应用

1.1. 2巨型结构体系的研究现状

1.2结构振动控制的研究和应用现状

1.3本文研究的内容

参考文献

第二章 风荷载和地震作用的模拟

2.1风荷载的模拟

2.1.1风荷载的特性

2.1.2脉动风荷载的模拟

2.2地震作用的模拟

2.2.1地震作用的特性

2.2.2地震作用的模拟

2.3小结

参考文献

第三章 频域分析

3.1计算模型和运动方程

3.2几何变换矩阵

3.3模态坐标变换

3.4运动方程的频域解

3.5减振效果的评判

3.6减振效果分析

3.6.1设置1个隔振次框架

3.6.2设置多个隔振次框架

3.6.3减振效果的评判

3.7小结

参考文献

第四章 时域分析

4.1有限元分析模型

4.2巨型框架多功能减振结构振型的特点

4.3时域分析

4.3.1设置1个隔振次框架

4.3.2设置多个隔振次框架

4.4小结

参考文献

第五章 设计实例

5.1概况

5.2关键参数设计

5.3小结

参考文献

全文总结

附录

作者在攻读博士学位期间发表的论文

致谢