巨型框架多功能减振结构的减振原理及优化设计方法

摘要

近年来，对于多层和高层建筑的抗震和抗风设计，采取减振措施以减轻和抑制结构在地震和强风下的振动，已获得了较快的发展。本课题组将减振装置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减振系统。在巨型框架结构的主、次框架的连接处设置减振装置，形成一种新颖的结构控制体系——巨型框架多功能减振结构体系。巨型框架多功能减振结构体系，解决了巨型框架结构在地震和强风作用下的减振、避震问题，也为高层、超高层建筑的结构控制和减振理论开拓了新的思路。 本文研究分析表明，在巨型框架多功能减振结构中,各个次框架如同巨大的质量块，与主框架一起，形成一个大型的调频质量系统。在地震作用下，这种结构体系既具有调频质量减振的功能，又具有基础隔震和阻尼耗能减震的功能，将多种减振功能有机地结合起来。在地震作用下，减振结构的主框架受到其本身惯性力的作用以及各个隔震次框架惯性力的作用。次框架的惯性力通过隔震层传递给主框架。由于隔震层的存在，隔震次框架的自振周期增大，其绝对加速度明显减小，隔震次框架对主框架的作用力减小，并且在合理设计的情况下,隔震次框架对惯性力与主框架的惯性力相互抵消一部分或大部分。因此，主框架所受到的总水平作用大幅度减小。振动台试验结果及理论分析表明，在地震作用下．减振结构主框架的位移响应可降低60％～80％．减振结构主框架的基底剪力可降低70％～90％；隔震次框架的绝对加速度响应可降低70％～90％。研究表明，对隔震层参数进行优化设计后，还可以进一步提高减振效果。 理论分析表明，在巨型框架多功能减振结构中，影响主框架减振效果的主要因素有隔震次框架的位置及数量、调谐比(隔震次框架频率与主框架频率之比)和隔震层的阻尼比等。其影响规律如下：1.主框架的减振效果与调谐质量(次框架)的位置及数量有关：隔震次框架的位置越靠近上部，主框架的减振效果越显著，且最优调谐比越小；调谐质量块的个数愈多，主框架的减振效果愈显著；因此，应将次框架均设置为隔震次框架，并且其自振频率应按从上至下依次增大的原则确定。2.主框架的减振效果与调谐比有关；当调谐比小于某一值时，随调谐比的增大，主框架的减振效果提高：当调谐比大于该值时，随调谐比的增大，主框架的减振效果减小。因此，存在一个最优调谐比，主框架的位移响应或基底剪力达到最小。3.主框架的减振效果与隔震层的阻尼比有关：隔震层阻尼比愈大，结构的减振效果愈好，但减振效果的提高幅度逐渐减缓；当隔震层阻尼比大于某一值时，随隔震层阻尼比的增大，对减振效果影响不大，甚至略有降低。 本文研究了巨型框架多功能减振结构的优化设计方法，提出了分步优化方法。第一步，先确定工程实践中合理的隔震层阻尼比，假定隔震次框架的自振频率等间距分布，对隔震次框架的自振频率进行优化，得出具有减振效果的各个隔震次框架的频率变化范围：第二步，对不满足约束条件的情况，调整隔震层的阻尼比，以达到满足优化目标和约束条件的要求。在优化过程中，隔震次框架的自振频率从上至下依次增大并按等间距分布可大大缩短优化计算时间；选择主框架所受到的总水平地震作用、或主框架位移、或二者的综合指标达到最小为优化目标，选择隔震层变形等为约束条件，确定了调谐比和隔震层阻尼比的可行变化范围，为经济合理地选择隔震层的设计方案提供了科学的依据。对白噪声作用下所得到的优化方案的时程分析表明，时程分析结果与白噪声作用下的计算结果是一致的。 本文在利用三维有限元模型对巨型框架多功能减振结构进行计算时．将整个减振结构分解为多个子结构及内嵌子结构，采用子结构技术建模并将每个子结构看作一个超级单元，形成减振结构的动力方程。将隔震次框架的楼盖作为刚性楼盖，可大大减少自由度的数目，缩减计算时间。本文还提出了基于振型应变能的等效振型阻尼比的计算方法，给出了巨型框架多功能减振结构等效振型分解反应谱设计方法及设计步骤。由于巨型框架多功能减振结构是一个非经典(非比例)阻尼系统，不能采用振型分解反应谱设计方法进行结构设计。因此，研究巨型框架多功能减振结构基于规范的实用设计方法是十分必要的。本文在已有研究成果的基础上，从振型阻尼比的基本概念出发，给出等效振型阻尼比的计算公式，对巨型框架多功能减振结构进行等效振型分解，从而可利用《建筑抗震设计规范》(GB50011一2001)的规定，对巨型框架多功能减振结构进行振型分解反应谱设计。 本文详细研究了巨型框架多功能减振结构的振动台试验结果。试验结果表明巨型框架多功能减振结构的减振原理及减振效果与理论分析结果是一致的。在地震响应方面，随激振加速度峰值的增大，减振模型主框架的减振效果越来越明显，减振模型次框架的绝对加速度响应明显小于非减振模型的相应值，减振模型主框架最大层间剪力、主框架位移均明显小于非减振模型的相应值，次框架的层间变形极小，橡胶垫的变形远远大于次框架的层间变形。在损伤与破坏方面，减振模型的主框架及次框架一直处于弹性工作状态，在试验的后期阶段主框架只有轻微的开裂；在非减振模型中，主框架和次框架经历了弹性、弹塑性、塑性工作阶段，主、次框架柱破坏严重；两个模型的破坏现象表明，减振模型的减振效果显著，其抗震能力大大高于非减振模型的抗震能力。振动台试验结果还验证了利用子结构技术对巨型框架多功能减振结构进行建模、计算的理论、方法的正确性及本文计算程序的正确性。 综上所述，巨型框架多功能减振结构的减振效果十分显著，采用的振动控制方法是有效的。上述理论分析和试验研究结果为工程应用提供了科学依据。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章运动方程的建立及阻尼矩阵的形成

第三章减振原理及参数优化

第四章减振结构的有限元计算理论

第五章振动台模型试验研究

第六章减振结构的反应谱设计方法

第七章设计实例

全文总结

在学期间论文清单

致谢