巨型框架多功能减振结构体系地震作用下减振理论及其试验研究

摘要

近年来，高层建筑和超高层建筑在我国发展极快。自1992年房地产业快速发展至今的十多年间，中国已经成为世界上高层建筑数量最多的国家，百米以上超高层建筑的数量仅次于美国。高层建筑的迅猛发展，促进了结构理论研究的进步。这些进步，一方面表现为新型结构体系的成熟与普及，巨型框架结构体系即为其中较突出的例子；另一方面，体现在结构控制理论越来越成熟，并在实践中得到更多的推广与应用。 结构控制理论是对传统的结构抗风、抗震理论的大升级。该理论对于结构安全，不再着眼于提高结构抗力，而是通过调整结构自身参数或附加减振装置，来减轻和抑制结构在地震和强风下的振动，实现荷载效应的大幅降低，从而提高结构在风荷载与地震作用下的安全可靠性。结构控制理论虽然至今只有短短三十年的历史，但是已经成为了结构领域的一个重要研究方向。结构控制措施可分为被动控制、主动控制、混合控制三类，其中被动控制较为成熟。具体而言，被动控制又包括基础隔震、调谐质量减振、耗能减振等多种技术措施。这些减振技术措施能够有效地减小结构的动力响应，但是相应也存在一些适用局限性，或者存在改进的余地。基础隔震技术最为成熟，实际应用最多，但是通常只适用于10层以下建筑；而调谐质量减振技术(TMD)需要制造、安装较大的附加质量块，增加了造价和施工难度；耗能减振技术对于水平力作用下不是以剪切变形为主的结构减振效果有限。如果一种高层结构体系能够综合利用以上多种减振技术措施，发挥它们的长处，避开它们的缺点，必然可以获得较为理想的减振效果。 本课题组将减振技术与结构方案有机地结合起来，提出了一种具有多种减振功能的新型结构体系——巨型框架多功能减振结构体系。该体系从TMD系统的减振思路出发，结合巨型框架结构独特的刚度与质量分布，在巨型框架结构的主、子框架连接处设置隔震层，使得各个子框架成为巨大的质量块，与主框架构成大型调谐质量系统，同时，每个子框架部分又成为一个置于主框架上的基础隔震系统，而隔震层本身也能向结构提供较大阻尼。如有必要，以剪切变形为主的子框架还可以有效利用各类耗能阻尼器。 对于该体系，隔震层参数成为结构设计成功与否的关键。如果隔震层参数既能满足调谐质量系统的优化要求，达到利用子框架谐振抑制主框架振动的目的，同时又能满足子框架部分基础隔震的要求，减小子框架的振动，保证子框架的安全，则该结构体系就能实现多功能减振效果，大大减小结构在地震作用下的动力响应。 由于隔震层参数的选取必须同时满足结构对于主框架位移和各个子框架相对位移的控制要求，因此巨型框架多功能减振结构体系的优化问题为多目标函数优化问题。本文提出了利用有效域进行多目标函数优化设计的方法：首先对不同的控制目标函数按照各自控制要求分别计算得到参数有效域，再对多个控制目标函数的参数有效域求交集，得到综合参数有效域，则该有效域内的所有参数都能满足全部振动控制要求。由该综合参数有效域最大内切球中心点得到的参数解，不但能够满足控制要求，而且最大限度地控制住了参数在工程实现时的误差所引起的优化损失。 有效域的概念使得不同控制目标函数对参数的要求相互兼容。对于多目标函数的优化，也可以采用加权法或范数法将多目标函数转化为单目标函数来求其最优值。但这种转化往往涉及到对不同目标函数赋权，不同的研究者给出的转化公式各不相同，最终的优化结果有时会有较大出入。此外，采用这种方法得到的参数最优解对于权值较小的目标函数未必能够满足控制要求。 有效域方法由于对多个目标函数求参数域，计算量相应加大。但是由于巨型框架多功能减振结构体系可以将子框架视为刚体，系统的刚度、质量矩阵总维数相当有限，因此问题的规模实际上并不大。 本文给出了多功能减振结构体系算例结构有效域方法的频域优化计算过程。由于对TMD系统的研究表明，隔震层阻尼比不需优化，可以直接采用上限值，因此，系统待优化参数只包含各个子框架的调谐比。算例计算中，对于主框架位移响应，在对不同控制要求所对应的有效域大小、形状进行比较分析的基础上，选择设定控制要求为比相应普通巨型框架结构响应降低50％；对于子框架位移响应控制要求参考橡胶垫性能选取较合理值。经过网格计算，得到能够满足主框架和各子框架位移响应控制要求的综合参数有效域。取该综合参数有效域最大内切球中心点为最优参数，经时域验算可知，优化后的多功能减振结构体系位移响应基本满足控制要求。 此外，由网格计算结果不难发现，巨型框架多功能减振结构体系具有良好的鲁棒性：即在相当大参数范围内，即使参数偏离最优参数很远，多功能减振结构体系主框架位移响应仍然小于普通巨型框架结构，未经优化的系统仍能保证主框架结构的安全。 本文对地震作用下巨型框架多功能结构体系算例结构中能量流进行了追踪，给出了减振机理的能量解释，并绘出了巨型框架多功能结构体系中能量分配图。 本文进行了巨型框架多功能减振结构体系的振动台试验研究。为获得巨型框架多功能减振结构体系减振效果，本试验包括同条件制作、养护的两个试件，一个试件为巨型框架多功能减振结构，另一个为普通巨型框架结构。试验结果表明，巨型框架多功能减振结构置于隔震垫层上的子框架基本保持刚体运动；其子框架绝对加速度比普通巨型框架结构降低35％～90％，隔震效果良好；其主框架位移响应比后者降低30％～70％，减振效果显著。当普通巨型结构主框架梁出现塑性铰，结构达到破坏时，巨型框架多功能减振结构基本上还处于弹性阶段，仅有少量裂缝。 综上所述，理论分析及试验结果表明，巨型框架多功能减振结构体系是一种成功地综合利用了多种减振技术的结构体系，在地震作用下，该体系可以获得十分显著的减振效果。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章地震作用下TMD系统减振理论及其扩展研究

第三章地震作用下巨型框架多功能减振结构体系减振理论及其优化

第四章地震作用下巨型框架多功能减振结构体系能量分析

第五章钢筋混凝土巨型框架多功能减振结构体系振动台试验研究

第六章结论

作者在攻读博士期间发表的论文

致谢