平面不对称高层建筑结构利用速度型阻尼器减震控制的研究

摘要

本文以平面不对称高层建筑结构的被动耗能减震控制研究为核心，从耗能减震高层建筑结构地震响应计算、基于性能的耗能减震设计和阻尼器在不对称结构中的优化分布三方面进行一系列相关联的研究。主要内容包括： (1)阻尼器参数分析。分析阻尼器参数对单自由度体系振动响应的影响。通过参数分析，比较粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器对单层不对称结构复模态参数的影响及减震效果。 (2)基于改进Ritz法的非比例阻尼高层建筑结构的地震响应计算。改进Ritz法采用基于外荷载空间分布的Ritz向量和基于外荷载频率的Ritz向量。其中，基于外荷载空间分布的Ritz向量用Lanczos法形成；基于外荷载频率的Ritz向量则用外荷载主频的平方进行特征值平移后，再用Lanczos法形成。用改进Ritz法的Ritz向量对结构动力方程进行线性变换，之后采用拟力实模态法对线性变换后的耦联动力方程进行迭代求解。 (3)基于性能的耗能减震设计。本文提出两种基于性能的抗震设计方法：①直接基于位移的耗能减震设计方法。性能目标用层间位移角表示。先将多自由度体系等效成单自由度体系，之后依据位移反应谱确定单自由度体系在已定水准地震动下满足目标位移要求所需的总阻尼比，该阻尼比可以近似认为是多自由度体系满足性能要求所需的总阻尼比，继而确定阻尼器的附加等效阻尼比和相应的阻尼系数。直接基于位移的耗能减震设计方法适用于对称结构；②基于多模态的耗能减震设计方法。基于多模态的设计方法将结构的性能指标用多阶模态表示，引入模态等效单自由度体系的最大位移之比，将结构的性能指标表示成关于第1阶模态等效单自由度体系的最大位移的函数，并由结构的性能目标值确定第1阶模态等效单自由度体系的允许最大位移，继而根据位移反应谱确定第1阶模态的阻尼比，确定附加阻尼比及阻尼系数。计算阻尼系数给各阶模态提供的等效阻尼比，依据阻尼比修正最大位移之比和模态的相关系数，进行迭代计算直到阻尼比满足精度要求。由迭代收敛时的阻尼比确定阻尼系数，该阻尼系数就是结构满足性能目标要求需要的阻尼系数。该方法考虑多阶模态的影响，不仅可以用于对称结构，还可以用于不对称的多高层建筑结构。 (4)阻尼器的优化布置。以单层不对称结构作为平面不对称多高层建筑结构的简化模型，研究速度型阻尼器在平面的最优偏心位置。用随机振动理论将目标函数表示成关于阻尼器偏心的函数，继而用MATLAB优化工具箱求得目标函数取最小值时的阻尼器最优偏心位置。对阻尼器最优偏心位置进行参数分析，得出结论：影响阻尼器最优偏心的因素比较多，工程实践中难以精确求解最优偏心位置。因此，论文分析目标函数对阻尼器偏心的敏感性，并给出平面不对称结构中阻尼器的近似最优偏心取值的建议。用顺序搜索法优化阻尼系数在结构各层之间的分布，每层阻尼系数的平面分布满足阻尼器近似最优偏心的要求。对比该方法和遗传算法的优化计算结果，结果表明，该方法可以有效地在偏心结构中优化布置阻尼器。 (5)将本文的理论分析方法应用于工程实例。

目录

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第一章绪论

1.1引言

1.2结构控制技术的研究与进展

1.2.1被动控制

1.2.2主动控制、半主动控制和混合控制

1.3不对称结构减震的研究和进展

1.3.1国外研究进展

1.3.2国内研究进展

1.4非比例阻尼结构地震响应的计算方法

1.5基于性能的减震设计方法

1.5.1基于性能抗震设计方法的发展

1.5.2基于性能抗震设计方法在减震结构中的应用

1.6减震体系阻尼器优化布置的研究进展

1.6.1梯度法

1.6.2顺序搜索法

1.6.3遗传算法

1.7本文主要研究内容

第二章速度型阻尼器的力学性能

2.1引言

2.2速度型阻尼器的计算模型

2.2.1粘滞阻尼器非线性模型

2.2.2开尔文模型

2.2.3Maxeell模型

2.2.4分数导数模型

2.2.5复阻尼模型

2.3非线性阻尼器的等效线性化

2.3.1基于能量的等效线性化

2.3.2基于耗能能力的等效线性化

2.4单自由度体系阻尼器减震效果影响因素分析

2.4.1单自由减震体系的动力响应

2.4.2影响参数分析

2.5粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器对非对称结构减震效果的对比

2.5.1参数η对平动扭转频率的影响

2.5.2参数η对模态的影响

2.5.3参数η对阻尼比的影响

2.5.4参数η对动力放大系数的影响

2.5.5减震效果比较

2.6本章小结

第三章减震高层建筑结构地震响应计算方法

3.1引言

3.2动力方程

3.3模态叠加法

3.3.1强行解耦法

3.3.2复模态法

3.3.3扩展模态叠加法（ERSA）

3.4改进Ritz法

3.4.1 Ritz向量

3.4.2截断标准

3.4.3外荷载主频的选取

3.4.4拟力实模态法

3.4.5算例

3.5数值积分法

3.6本章小结

第四章阻尼器在不对称结构中的平面优化布置

4.1引言

4.2简化模型

4.3阻尼器的布置方式

4.4阻尼器优化布置的目标函数

4.5基于理想白噪声的阻尼器最优偏心位置

4.6参数分析

4.7敏感性分析

4.7.1有色噪声激励时的结构随机响应

4.7.2质心在几何中心

4.7.3刚心在几何中心

4.8本章小结

第五章基于性能的耗能减震设计方法

5.1引言

5.2位移反应谱

5.3对称结构直接基于位移的减震设计方法

5.3.1目标位移

5.3.2多自由度体系和单自由度体系的等效

5.3.3阻尼器设计

5.3.4设计步骤

5.3.5算例

5.3.6影响因素分析

5.4非对称结构基于性能的减震设计方法

5.4.1基于模态叠加法(RSA)的耗能减震体系设计

5.4.2基于扩展模态叠加法(ERSA)的耗能减震体系设计

5.4.3阻尼器设计

5.4.4设计步骤

5.4.5算例

5.5本章小结

第六章阻尼器的空间优化分布

6.1引言

6.2顺序搜索法的计算步骤(SSA)

6.3 SSA3D方法

6.3.1控制指标

6.3.2优化过程

6.3.3 Cd确定

6.4遗传算法优化布置阻尼器

6.4.1遗传算法简介

6.4.2遗传算法应用

6.5验证顺序搜索法的有效性

6.5.1平面框架结构的优化对比

6.5.2非对称框架结构的优化对比

6.6线性阻尼器与非线性阻尼器的等效

6.7本章小结

第七章某工程实例

7.1工程概况

7.2振动台试验概况

7.3有限元模型

7.4理论结果和试验结果对比

7.4.1结构自振特性

7.4.2位移响应对比

7.4.3扭转位移分析

7.4.4结论

7.5减震结构设计分析

7.5.1阻尼器设计

7.5.2减震结构位移响应

7.6本章小结

第八章结论与展望

8.1结论

8.2进一步工作方向

致谢

参考文献

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果