被动减震结构基于性能的抗震设计与分析方法研究

摘要

基于性能的抗震设计、结构振动控制是二十世纪后期结构工程和地震工程研究的前沿领域，这一领域的研究不但涉及结构控制、结构设计、结构破坏机理、防灾风险决策等一系列重大理论问题，而且新的计算模型、分析方法将提高工程设计的技术水平，增强工程结构的防灾减灾能力，具有实际应用价值。
　　 将基于性能的抗震设计方法应用于被动减震结构中，是对性能设计的推广。本文将被动减震结构抗震设计理论与基于性能抗震设计思想相结合，提出了被动减震结构基于性能的抗震设计和分析方法，作为性能设计实现方法的比较，本文同时研究了无控结构基于性能的抗震设计方法。主要研究内容如下：
　　 1.通过研究基于性能抗震设计方法与基于承载力抗震设计方法的区别，指出基于承载力抗震设计方法可能存在的问题以及性能设计方法的解决之道。从能量耗散的角度讨论了目前基于性能抗震设计方法实现的有效途径，对比研究了无控结构和被动减震结构基于性能的抗震设计思想。具体地提出了被动减震结构抗震设计目标，结合国内外有关规范和研究成果给出了以层间位移角为性能指标的建议量化值。
　　 2.结合我国现阶段抗震规范规定的场地分类方法，将136条地震动记录分为四类，分别对阻尼比为0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5的弹性加速度反应谱阻尼比修正系数Bα、位移反应谱阻尼比修正系数Bd和速度反应谱阻尼比修正系数Bv进行了系统的研究。结果表明随着阻尼比的增大，场地分类对阻尼比修正系数的影响程度逐渐增大，其中场地条件对绝对加速度反应谱修正系数Bα的影响较对位移反应谱修正系数Bd和相对速度反应谱修正系数Bv的影响更加显著。数据分析表明，场地条件对阻尼修正系数最小值的影响很小。通过非线性回归分析建立了与场地类别、结构周期以及阻尼比相对应的阻尼比修正系数计算公式。根据Bα、Bd、Bv量化了不同场地、不同阻尼比时，单自由度被动减震结构中主体结构对基底剪力的贡献程度。
　　 3.利用四类场地80条地震波，通过分析研究，明确了将规范的加速度反应谱转换为位移反应谱所带来的误差范围，得到了一些对减震结构性能设计有指导意义的重要结论。研究结果表明：无论是反应谱形状还是反应谱值，两者均有较大差异，而且场地特征周期越小，两者的误差越大；随着阻尼比和结构周期的增加，位移反应谱均值与按照规范加速度反应谱转换得到的位移谱值的误差逐渐增大，其中以II-2为例，量化研究了两者的误差范围。
　　 4.探讨了黏滞流体阻尼器相关性能参数对被动减震结构抗震性能的影响。推导了在简谐荷载作用下考虑水平位移放大系数的消能支撑刚度对减震结构抗震性能的影响；通过算例量化比较了阻尼常数按照平均分配法和阻尼器做功与层间剪力做功成正比分配法对减震结构处于不同状态时的抗震性能的影响，并给出了相应的建议；研究了主体结构保持弹性和弹塑性状态时，黏滞流体阻尼器速度指数对减震效果的影响以及阻尼器刚度对被动减震抗震性能的影响，并得到一些有意义的结论。
　　 5.结合我国抗震设计规范，研究了考虑高阶振型和残余模态的被动减震结构等效静力分析方法，给出了分析步骤。通过算例分析将简化分析方法的结果与非线性动力时程分析方法的结果加以比较，验证了被动减震结构简化分析方法的合理性和可靠性。
　　 6.在已有损伤模型研究的基础上，针对框架结构提出了直接基于损伤的抗震设计方法，给出了设计流程和算例分析，通过算例分析验证了该方法的实用性和有效性。
　　 7.以位移设计方法的概念为主，结合能力谱方法，提出了附加黏滞流体阻尼器的减震结构基于位移的两阶段设计方法，其中第一阶段为小震下刚度和承载力设计，第二阶段为中震或大震下阻尼器的设计，给出了设计步骤和设计流程。通过算例分析，阐述了被动减震结构基于性能抗震设计的完整过程，并通过非线性时程分析方法作了比较验证，结果表明：减震结构基于性能的抗震设计方法是一种可为工程接受的、简便有效的方法，计算附加阻尼比时无需迭代而且可以将结构的损伤程度有效的控制在预先设定的性能目标范围内。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2基于性能抗震设计理论综述

1.2.1基于性能抗震设计方法与现行抗震设计方法的比较

1.2.2基于性能抗震设计理论框架

1.2.3基于性能抗震设计规范的研究和发展现状

1.2.4基于性能抗震设计目前可能的应用范围

1.3结构振动控制及被动减震技术

1.3.1结构控制的分类和性能

1.3.2被动减震技术

1.3.3被动减震结构设计指南/规范发展现状

1.4被动减震结构基于性能抗震设计的研究和进展

1.4.1设计理论与试验研究现状

1.4.2工程应用现状

1.5论文研究内容

第2章 被动减震结构性能设计的基本问题

2.1被动减震结构基于性能的抗震设计思想

2.2被动减震结构性能目标及其量化

2.3与场地类别和结构周期相关的阻尼比修正系数研究

2.3.1阻尼比修正系数定义及其应用

2.3.2阻尼比修正系数的研究和应用现状

2.3.3考虑场地分类的阻尼比修正系数研究

2.4加速度反应谱转换位移反应谱的相关研究

2.5本章小结

第3章 黏滞流体阻尼器的力学性能及其参数研究

3.1黏滞流体阻尼器的力学模型及性能

3.2有效阻尼比的确定及阻尼常数分配方法研究

3.2.1黏滞流体阻尼器有效阻尼比计算

3.2.2黏滞流体阻尼器阻尼常数的分配方法

3.2.3数值分析算例

3.3支撑刚度对附加黏滞流体阻尼器结构的影响

3.3.1支撑刚度对线性黏滞流体阻尼器的影响

3.3.2支撑刚度对非线性黏滞流体阻尼器的影响

3.4黏滞流体阻尼器刚度对减震效果的影响

3.5本章小结

第4章 被动减震结构抗震性能简化分析方法

4.1附加黏滞流体阻尼器减震结构构件内力计算

4.2考虑高阶振型和残余模态的等效静力分析方法计算流程

4.3算例分析

4.4本章小结

第5章 无控框架结构基于性能的抗震设计方法

5.1引言

5.2框架结构基于损伤性能的抗震设计理论

5.2.1地震损伤模型及性能目标的确定

5.2.2等效单自由度体系的建立

5.2.3等效位移延性系数

5.2.4 R-μ-T关系模型

5.2.5结构层间位移需求的确定

5.2设计步骤及流程

5.3算例分析

5.4本章小结

第6章 被动减震结构基于性能的抗震设计方法

6.1引言

6.2消能装置的适用范围及其参数选择

6.3被动减震结构性能设计的实现路径

6.4被动减震结构基于性能抗震设计步骤及流程

6.5算例分析

6.6本章小结

第7章 结论与研究建议

7.1主要结论

7.2研究建议

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果

致谢