黏滞阻尼器在时程分析下的附加有效阻尼比研究

为了研究消能减震结构中黏滞阻尼器在时程分析中所提供的附加有效阻尼比,从阻尼力做功(阻尼能)的角度出发,建立阻尼能与附加有效阻尼比在时程过程中的关系,提出附加有效阻尼比的理论计算公式,并建立有限元分析模型来验证该公式,对比消能减震结构与等效结构的阻尼能。结果表明,该阻尼比计算公式比现有的其它公式具有更强的通用性及合理性,适用于计算黏滞阻尼器在任意时程分析过程中的附加有效阻尼比,且消能减震结构与等效结构具有相同的阻尼能。     

面向时变阻尼比-位移双目标的防屈曲支撑减震体系设计方法

附加阻尼比是消能减震体系设计中的重要性能参数,传统方法采用阻尼器滞回耗能和减震体系总应变能的比值作为量化结果,并通常采用双线性模型计算防屈曲支撑滞回耗能,计算精度较低。采用积分方法推导能够精确反映阻尼器滞回性能的 Bouc?Wen 模型的滞回能量显式化解析表达式,并提出分别基于应变能法和模态阻尼耗能法的时变附加阻尼比计算方法。为了准确控制减震体系的阻尼比,将减震体系层间位移角不超限和附加有效阻尼比作为控制目标,阻尼器的布置方案和阻尼力的大小作为设计变量,提出面向阻尼比?位移双目标的减震体系设计方法和流程。对一钢混框架减震体系进行迭代设计和分析,确定计算时变滞回能量的合理时段长度,并对不同的时变阻尼比计算方法进行比较。结果表明：基于应变能法的附加阻尼比偏大,不利于结构安全,建议采用模态阻尼耗能法的平均值表征附加有效阻尼比。     

考虑土-结构相互作用的黏弹性减震结构的简化设计方法

首先在频域中建立了考虑土-结构相互作用(SSI)的黏弹性阻尼单自由度消能减震结构体系的动力平衡方程,通过模态应变能法及结构体系的传递函数,推导出了结构体系等效周期及等效阻尼比的计算方法,并参数化分析了SSI效应对消能减震结构的影响。结果表明结构的高宽比及初始附加阻尼比对阻尼器的减震效率影响较大。通过等效方法将质量刚度分布比较均匀的多自由度减震框架体系简化为单质点体系进行抗震分析。算例表明该方法具有一定的精度,对考虑SSI效应的消能减震结构体系的抗震评估具有一定的工程应用价值。     

黏滞阻尼减震框架结构基于预设阻尼分布模式的简化设计方法

提出了一种适用于黏滞阻尼减震框架结构基于性能需求和概念优化的设计方法以简化此类减震结构的阻尼参数设计过程。为使得阻尼器能够更有效发挥其耗能作用,从概念角度假定阻尼参数沿楼层的分布与结构层间位移角成正相关的关系,并给出了阻尼参数的分布表达式。在此预设阻尼分布模式下,推导了多层减震结构等效附加阻尼比与各层附加阻尼参数的关系。结合基于性能的设计理念,提出以减震比作为减震设计目标,减震结构的需求附加阻尼比可根据减震比和抗震设计反应谱的阻尼衰减关系来确定,结合预设阻尼参数分布表达式即可快速计算出各层的需求阻尼参数。给出了所提出方法的具体实施流程,并对一个框架结构进行了增设黏滞阻尼器的减震设计和抗震性能验算,设计实例表明该方法具有设计目标明确、计算过程简单、参数配置合理等特点。     

基于全时程迭代的黏滞阻尼器减震结构地震响应分析方法研究

准确地估算附加等效阻尼系数对于黏滞阻尼器减震结构的设计具有实用意义。该论文从线性化基本理论出发,通过阻尼器-结构耦合关系分析,提出一种基于全过程迭代和耗能相等的等效阻尼系数计算方法。计算方法物理意义明确,同时考虑了黏滞阻尼器自身参数和结构动力响应对等效阻尼系数的影响,且迭代过程具有收敛速度快、计算精度高等优点。该论文通过对多个算例的地震响应分析,并与精细化方法进行对比验证了该计算方法的可靠性。     

考虑楼层刚度的新型消能伸臂结构动力特性研究

新型消能伸臂结构将伸臂与外框架柱节点断开并垂直连接黏滞阻尼器后利用两者之间的相对变形能获得较大能量耗散，已应用于越来越多的超高层建筑中。基于考虑普通楼层刚度提出新型消能伸臂结构简化等效模型并与ETABS计算结果进行对比，在此基础上分析楼层刚度、楼层数量及楼层梁跨度比等对整体结构主振型阻尼比、频率、最优阻尼系数等影响规律。结果表明：简化等效模型与ETABS计算结果吻合较好，附加阻尼比最大误差为13%;考虑楼层刚度后消能伸臂结构主振型附加阻尼比减小、频率增大；随着楼层梁刚度减小，附加阻尼比增大，最优阻尼比伸臂位置上移，最优阻尼系数增大；利用能量法提出的等效公式能反映楼层刚度对消能伸臂结构的动力特性影响并能简化分析过程，为新型消能伸臂结构的进一步工程应用提供了理论依据。     

基于建筑需求的新型黏滞阻尼器开敞式布置机构研究

黏滞阻尼器耗能减震结构的减震效果与阻尼器在结构中的安装方式密切相关,已有黏滞阻尼器布置机构主要考虑结构减震需求和安装连接简单方便,而未考虑建筑需求。针对现有黏滞阻尼器布置机构占用结构框格内空间、阻碍视野的不足,提出了一种新型黏滞阻尼器开敞式布置机构。介绍了开敞式布置机构的构造与工作原理,并对机构的力学性能进行理论分析,推导了位移放大系数和等效阻尼比计算公式。设计并制作了一个设置黏滞阻尼器开敞式布置机构的钢框架试件,给试件施加正弦位移激励,分析了开敞式布置机构在动力作用下的受力性能,以及在不同位移幅值、频率工况下,框架侧移与阻尼器两端相对位移之间的关系,验证了该文提出的位移放大系数计算公式的准确性。采用SAP2000对比分析了一个无控钢框架结构,以及设置阻尼器对角布置机构和开敞式布置机构后的减震性能,验证了该新型布置机构在实际工程中应用的可行性。     

黏滞阻尼器-基础隔震混合体系优化研究

针对隔震层设置黏滞阻尼器的基础隔震结构,提出了非支配排序遗传算法-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)的黏滞阻尼器的参数多目标优化方法。采用Bouc-Wen模型模拟隔震层的力-变形行为,建立受控结构运动方程,并进行非线性时程分析,选用隔震层位移及上部结构顶部相对隔震层位移为优化目标,采用NSGA-Ⅱ遗传算法优化得Pareto最优前沿解集。以某六层基础隔震结构为例进行数值分析,通过分析隔震层振动响应的快速傅里叶变换(FFT)谱及反应谱,以及通过调整优化目标的约束条件及参数的优化范围,利用NSGA-Ⅱ算法获得了较为集中的阻尼器参数分布,然后通过其它地震波验证了黏滞阻尼器的减震效果。结果表明,优化所得阻尼器能有效减少了隔震层的位移;当优化所得阻尼器对上部结构地震响应不利时,可通过降低阻尼器的减震效果使上部结构地震响应控制在合理范围内;不同地震波作用下阻尼器减震效果存在差异,在第一周期范围内,当隔震层的激励频率趋向低频时,阻尼器对隔震层位移控制效果越好;阻尼器减震效果与隔震层的附加阻尼有关,提供过大的附加阻尼比对上部结构较高阶动力反应不利;设计者基于隔震层位移控制的阀值及缩小的阻尼器参数优化范围,可获得应用于实际工程的阻尼器参数。     

隔舱式颗粒阻尼器在沉管隧道中的减震控制试验研究

基于修正的TLD设计理论,提出了一种适合沉管隧道使用的隔舱式颗粒阻尼器及其设计方法,并以某沉管隧道为原型,设计制作了1:60的缩尺模型,对设置颗粒阻尼器前后的模型隧道进行了振动台试验。研究结果表明:颗粒阻尼器对沉管隧道纵向的减震控制效果良好,能够有效地降低模型隧道接头轴力和相对位移等动力响应,颗粒堆积状态、较优附加质量比、激励频谱特性、激励强度是影响其减震效果的主要因素。颗粒阻尼器对沉管隧道的纵向基频有降低效果,而颗粒的附加质量比和堆积状态是调谐主体结构基频的关键因素。采用传递函数幅值可以表述模型隧道模态响应程度,提出了通过模型隧道的模态响应降低程度确定较优附加质量比的方法,并进而实现对主体结构低阶振型的有效控制。     

基于能量法的调谐黏性质量阻尼器地震响应预测式研究

建立附加调谐黏性质量阻尼器的多层钢框架结构,简要分析其力学模型。建立能量平衡方程,并给出主结构弹性振动能、阻尼器弹性振动能、阻尼器黏性阻尼耗能的表达式,推导出剪力系数和层间位移的预测式。提出质量阻尼能量分散系数和黏性阻尼能量分散系数的简化计算公式。利用时程分析法验证了预测式和简化计算公式的准确性。利用位移降低率和剪力降低率的不同线性组合得出不同使用要求下的阻尼器优化置放量。结果表明:(1)简化计算公式能够近似地计算能量分散系数;(2)本文的预测式包络时程分析法的结果,能够比较准确地预测结构的地震反应;(3)当采用优化分布规律,质量比为0.2,刚度比为0.8,阻尼器阻尼比为0.8时,各种使用要求下的减震效果最佳。     

开放系统悬臂类结构的动力特性计算方法

结构总是修建在一定的场地而形成土-结构相互作用的开放系统。为解决开放体系下悬臂类结构的自振频率、振型和考虑辐射阻尼下模态阻尼比的计算问题,提出了脉冲荷载响应模态分析法。该方法采用直接有限元法建立土-结构相互作用有限元模型,对结构施加脉冲荷载得到结构动力反应后,由模态识别方法计算结构的动力特性。随后,以一个悬臂类五层框架结构为例研究了计算动力特性随土体计算范围变化的规律和脉冲荷载激励点位置对计算结果的影响。在此基础上,讨论了土体材料阻尼对模态阻尼比的影响,并与集总参数模型和直接模态分析法进行对比,说明不同方法的计算精度。计算结果表明,随着土域计算范围的增加,脉冲荷载响应模态分析法所得的动力特性将逐渐收敛到精确解;当土体计算范围大于结构基频所对应的波长的2倍时,结构自振频率的误差小于1%,模态阻尼比的误差小于5%;以非模态节点作为激励点都可以得到比较精确的结果;三参数集总参数模型所得模态阻尼比存在显著误差,直接模态分析法所得模型的基频随土域范围增大而趋向于零;相比于辐射阻尼,土体材料阻尼对结构的各阶模态阻尼比的影响较小。     

高位转换粘滞阻尼减震结构阻尼器合理阻尼系数研究

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》对高位转换结构体系的框支层的层间位移和结构等效侧向刚度的限制要求,采用等效侧向刚度计算方法,将高位耗能减震结构分解成框撑剪结构和纯剪力结构,结合振型分解反应谱理论和线性粘滞阻尼减震结构等效阻尼比计算方法,推导出了高位转换粘滞阻尼减震结构合理阻尼系数的计算公式。最后,通过算例分析得出,采用上述方法计算高位转换粘滞阻尼减震结构粘滞阻尼系数是可行的,该方法计算公式简单实用,可用于高位转换粘滞阻尼减震结构的初步设计。     

生态复合墙结构动力反应分析模型研究

独特构造及多种材料的使用与嵌套,使生态复合墙结构的动力特性计算异常复杂,故需提出其简化动力计算模型。结合课题组前期研究成果及相关理论,提出生态复合墙结构在弹性阶段简化的动力反应分析模型;建立每层复合墙体分布参数体系的运动偏微分方程,计算其振型和频率;把每层顶点位移作为上一层支座激励,利用振型叠加法对每层复合墙体进行有阻尼动力反应分析;对整体复合墙体进行动力反应分析,并与前期振动台试验结果进行对比分析。理论与试验结果表明：该简化模型计算求得的各层加速度时程反应值与试验值吻合较好,具有一定的计算精度与实用性,为生态复合墙结构在弹性阶段的动力反应分析提供了一种较为简化、实用的计算方法。     

非弹性单自由度体系附加粘滞阻尼器基于性能的抗震设计

消能结构的传统设计使用反复试算法设计附加阻尼器,这费时费力。在基于性能的抗震设计框架内,提出了粘滞阻尼器基于改进能力谱法的直观设计法。满足一种给定性能准则的总粘滞阻尼比,可由有效阻尼比的总需求减去总固有阻尼比与结构构件滞回变形的等效阻尼比之和算得。结合我国的设计反应谱和10条地震动平均反应谱,给出了简化设计方法的具体步骤。时程分析结果表明,按该法设计的附加粘滞阻尼器结构的最大位移与给定的目标位移吻合较好。     

多点激励下绝对位移直接求解算法的误差频域分析

多点激励地震响应分析时,相对运动法将结构内部节点绝对位移分解成拟静位移和动态位移两部分分别进行求解,而绝对位移直接求解法直接对内部节点绝对位移进行求解,在两种求解算法中,阻尼分别假定与内部结点相对速度、绝对速度成比例。两种算法的阻尼假定不同可能会引起计算结果误差,在瑞利阻尼、单元阻尼模型下,采用随机振动方法对两种算法计算结果误差在频域内进行了理论分析,指出了瑞利阻尼模型下两种算法求得的结构动态内力功率谱密度误差主要受结构阻尼比、激励频率与结构基频率比值影响,但单元阻尼模型下两种算法得出的动态内力功率谱密度不存在误差。最后从概率意义上指出：瑞利阻尼模型下,两种算法得出的结构内力响应方差的误差随结构阻尼比的增大而增大,当结构阻尼比不大于5%时,两种算法计算结果误差很小。     

基于动力特性的混合结构地震响应复模态叠加法

混合结构由不同阻尼特性的材料组成,确定其阻尼矩阵存在困难。分块Rayleigh阻尼模型由于数学上的简易性,被广泛用于构建混合结构的阻尼矩阵,但分块Rayleigh阻尼模型的计算精度与参考频率的选择方法直接相关。针对参考频率的选择问题,依据结构动力响应的组成和特点,提出了一种确定Rayleigh阻尼系数的计算方法,进而实现基于分块Rayleigh阻尼模型的复模态叠加法。求解结构的瞬态反应时,根据结构前两阶振型的自振频率确定阻尼系数;求解结构的稳态反应时,选择结构的基频、与外激励频率接近的结构自振频率确定阻尼系数。依据地震波的频谱特性,提出了基于地震波卓越频率的分块Rayleigh阻尼模型,并结合地震加速度的分段线性假定,建立了混合结构的复模态叠加法。在此基础上,利用三角级数展开得到组成地震波的谐波频率,进一步提出了基于谐波频率的分块Rayleigh阻尼模型和对应的复模态叠加法。算例分析结果表明:所提方法误差更小,且克服了传统方法因振型选择不唯一导致的计算结果具有不确定性的问题;与基于地震波卓越频率的复模态叠加法相比,基于谐波频率的复模态叠加法计算量更大,但计算精度更高、适用范围更广。     

渡槽结构考虑流固耦合的横向地震响应简化计算公式

渡槽是输水工程中的控制性工程,在地震中容易发生破坏,导致沿线供水中断。虽然大量渡槽已经建成并投入使用,但关于渡槽的抗震研究还不够完善,在国内还没有统一的渡槽抗震简化计算方法。该文以流固耦合动力学为基础,结合反应谱理论,推导了渡槽横向地震响应的简化计算公式,并与非线性流固耦合有限元时程分析进行对比。对比结果表明:该文提出的简化计算方法可以快速计算渡槽的横向地震响应,计算结果不仅能够有效反映水体晃动对渡槽结构的减震作用,且与数值分析结果吻合较好。     

新型高速铁路客站多维抗震分析的实用反应谱法

针对“房桥合一”高速铁路客站不同阻尼比构件、大跨构件较多,对其阻尼模型和多维实用反应谱法进行了研究。首先通过位能加权阻尼和振型分解法的原理,得出位能加权阻尼的激励为各振型响应,并基于单元刚度矩阵推导了位能计算公式。接着在结构自振周期不超过4.5倍场地特征周期的条件下,对水平与竖向加速度互功率谱的表达形式进行了替代。基于两者,利用随机振动理论与反应谱理论推导了能合理考虑各向振型间相关性的实用反应谱公式。最后,以天津西站II区为例加以应用,并与时程分析、多种常用多维反应谱组合法进行了比较,说明该公式的合理性,可供同类结构抗震设计与分析作参考。