混凝土框架结构中黏滞阻尼器优化的研究

摘要

在地震发生时，有很多建筑由于层间变形较大或底部受剪力较大导致破坏。为减小结构的地震反应，近年来，越来越多的建筑结构中设置了黏滞阻尼器。钢筋混凝土框架结构中设置黏滞阻尼器后，层间位移角及剪力等地震反应均受到阻尼器的位置与参数影响。因此，阻尼器的位置优化与参数优化值得进一步研究。 向量式有限元是基于牛顿运动定律的数值计算方法，计算步骤简洁，计算量小。遗传算法是模仿自然界中生物进化机制的优化方法，具有并行、全局搜索的本质，优化效率较高。本文基于向量式有限元理论，编写MATLAB程序，并利用遗传算法，分别针对变形满足及不满足规范要求的混凝土框架结构，深入研究了阻尼器的位置优化与参数优化。主要研究内容如下： （1）本文阐述了向量式有限元理论，推导了设置黏滞阻尼器的框架结构单元内力与外力的计算公式；并通过算例对比验证了本文所编程序的正确性。 （2）本文分别阐述了新建建筑与既有建筑混凝土结构设置黏滞阻尼器的意义，推导了附加阻尼比的计算公式，并根据结构变形分解对比分析了阻尼器布置在平面不同位置时对结构的不同影响。 （3）对于变形满足规范要求的结构，为达到降度设计的目标，本文提出了改进的基于层间剪力的阻尼器优化流程。首先从抗震构造措施与构件内力两个方面论述了层间剪力的减小对节省结构材料用量的意义，并设计模型对比分析了构造措施抗震等级对材料用量的影响；其次，论述了层间剪力对层间变形的影响；最后，提出了以降度设计为目标的阻尼系数优化函数，并给出了阻尼器位置与阻尼系数优化的建议流程。 （4）对于变形不满足规范要求的既有建筑结构，本文综合考虑层间位移角与基底剪力两个目标，提出了阻尼器的位置优化函数。对于既有建筑，在层间位移角超限值较严重时，可采用设置黏滞阻尼器的方法进行加固改造，但应同时考虑阻尼器对于结构基底剪力的影响。首先，本文提出了阻尼器的竖向位置优化目标函数；其次，根据结构中荷载分布的不同情况，设计了不同种类的结构模型；再次，针对不同模型分别分析了目标函数中的权重系数；最后，提出了阻尼系数优化函数，并给出了优化的建议流程。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 黏滞阻尼器优化研究现状

1.3 本文的研究方法

1.3.1 向量式有限元

1.3.2 遗传算法

1.4 本文主要研究内容

2 黏滞阻尼器减震结构的基本理论

2.1 动力分析基本理论

2.2 动力时程分析方法

2.2.1 直接动力法

2.2.2 快速非线性分析法

2.3 向量式有限元基本理论

2.3.1 向量式有限元基本概念

2.3.2 向量式有限元计算方法

2.4 MATLAB程序与SAP2000软件计算结果对比

2.5 遗传算法

2.5.1 遗传算法特点

2.5.2 遗传算法运算过程

2.6 本章小结

3 黏滞阻尼器减震机理及平面位置优化

3.1 结构布置黏滞阻尼器意义

3.1.1 新建建筑

3.1.2 既有建筑加固改造

3.2 黏滞阻尼器减震机理

3.2.1 附加阻尼比公式推导

3.2.2 中国规范要求

3.3 黏滞阻尼器平面位置优化

3.3.1 黏滞阻尼器变形分解

3.3.2 黏滞阻尼器平面位置优化算例

3.4 本章小结

4 改进的基于层间剪力的黏滞阻尼器优化

4.1 结构层间剪力优化意义

4.1.1 中国规范要求

4.1.2 对材料用量的影响

4.1.3 对层间位移角的影响

4.2 改进的基于层间剪力的黏滞阻尼器优化流程

4.3 算例分析

4.3.1 算例设计

4.3.2 数值分析

4.4 本章小结

5 综合考虑层间位移角与基底剪力的黏滞阻尼器优化

5.1 黏滞阻尼器竖向位置优化目标函数

5.2 结构模型及阻尼器参数

5.2.1 上部荷载较大结构

5.2.2 中部荷载较大结构

5.2.3 下部荷载较大结构

5.2.4 荷载分布均匀结构

5.3 阻尼器优化函数权重系数确定过程

5.3.1 上部荷载较大结构

5.3.2 中部荷载较大结构

5.3.3 下部荷载较大结构

5.3.4 荷载分布均匀结构

5.4 阻尼器优化过程

5.4.1 上部荷载较大结构

5.4.2 中部荷载较大结构

5.4.3 下部荷载较大结构

5.4.4 荷载分布均匀结构

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参 考 文 献

致谢

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