基于等效层模型的静动力抗震分析及其在剪力墙减震设计中的应用

以某高层剪力墙结构为工程背景,基于等效层模型,将静力弹塑性方法与非线性时程分析方法相结合,对结构进行了消能减震分析。首先对结构三维空间模型进行了静力弹塑性分析,得到了结构的层间恢复力曲线。在此基础上,根据能量相等原则确定了等效三线型恢复力模型,建立了结构等效弹塑性层模型,进行了弹塑性时程分析,并研究了非线性粘滞流体阻尼器对高层剪力墙结构在罕遇地震作用下反应的振动控制。分别对减震前后剪力墙结构在EL CENTRO波、唐山波和人工波作用下的整体反应进行了分析和评估。研究结果表明,采用静动力综合抗震分析方法对结构弹塑性等效层模型进行时程分析可以用于评估结构的弹塑性整体抗震性能,为工程设计提供参考;采用粘滞流体阻尼器可以明显减小高层剪力墙结构在罕遇地震作用下的反应,使得层间位移满足《建筑抗震设计规范》的要求,该方法可为类似结构的减震设计提供借鉴。     

强震作用下附设粘滞阻尼器RC框架结构的 耗能机制与抗倒塌性能研究

大量震害调查结果表明强震作用下普通RC框架结构很难避免出现薄弱层的累积耗能集中,以致结构倒塌。作为一种已推广应用的耗能装置,粘滞流体阻尼器可在不改变原有结构体系刚度分布的前提下有效耗散地震输入能量,提高结构抗倒塌性能。根据中国现行抗震规范设计了三组不同高度的RC框架结构,并分别进行了附设粘滞阻尼器的消能减震设计。采用弹塑性时程分析方法对各结构进行了地震响应计算,对比了减震前后结构的累积滞回耗能分布模式和耗能机制,并且采用基于IDA的结构抗倒塌易损性分析方法,定量评价了各结构的抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备。结果表明,附设粘滞阻尼器可显著改善RC框架结构的耗能机制,降低主结构构件的损伤程度,有效提高结构的抗倒塌性能。     

弹塑性钢阻尼器用于大跨度CFST拱桥的减震控制研究

弹塑性钢阻尼器具有良好的减震效果,但目前的研究和应用主要集中在房建领域。本文以主跨368m的茅草街大桥为研究对象,进行了弹塑性钢阻尼器用于大跨度钢管混凝土拱桥地震响应的减震控制研究,采用非线性时程分析法进行了阻尼器关键参数的敏感性分析,研究了不同屈服荷载、不同弹性刚度及不同空间布设阻尼器的减震效果,最后重点分析了行波效应对弹塑性钢阻尼器减震效果的影响。结果表明,对于该中承式钢管混凝土系杆拱桥,弹塑性钢阻尼器的减震效果明显;综合考虑各部位的地震响应,在主梁各支承间均匀布设阻尼器为最佳布置方式;考虑行波效应后,阻尼器的减震效果更佳。     

调谐型颗粒阻尼器简化力学模型及其参数计算方法研究与减震桥梁试验

介绍了调谐型颗粒阻尼器, 进行了基于该阻尼器减震高架连续梁桥缩尺模型的振动台试验;建立了该阻尼器的数值分析简化力学模型, 提出了该模型等效阻尼比的能量估算方法, 并对该阻尼器的减震控制效果进行了有限元数值模拟. 试验与数值模拟结果表明:调谐型颗粒阻尼器可以有效降低高架连续梁桥的地震响应;上述简化力学模型和参数估算方法可以有效模拟调谐型颗粒阻尼器的减震控制效果, 可为基于颗粒阻尼器的土木工程结构减震设计参考.     

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。     

带黏弹性阻尼器结构振动台试验数值模拟

该文利用Open Sees对一座三层带黏弹性阻尼器钢框架结构进行振动台试验的数值模拟,以此验证黏弹性阻尼器力学模型及分析方法的正确性。首先介绍了振动台试验,总结了黏弹性阻尼器耗能特征及减震效果;然后利用Bouc-Wen模型模拟黏弹性阻尼器的力学性能,在Open Sees中进行非线性动力时程分析模拟振动台试验;最后将数值模拟结果和试验结果进行对比分析。结果表明,模拟结果和试验结果在结构动力特征和结构响应上均吻合良好,因此验证了黏弹性阻尼器力学模型及分析方法的正确性。     

复杂形体超高层钢框架-混凝土核心筒混合结构减震的研究

以拟建超高宁夏电视塔(NXTVT)工程为背景,利用SAP2000建立其三维有限元分析模型。超高宁夏电视塔呈现底部小、上部大、中部略呈细腰形的花瓶状复杂形体;而且,楼层的不连续分布导致结构质量和侧向刚度沿竖向分布的不均匀。因此,整体结构形式复杂,对抗震要求高。首先,对结构的动力特性进行分析研究。在此基础上,使用振型分解反应谱法和FNA动力时程法对该结构的地震反应进行多维分析。接着,对安装非线性液体粘滞阻尼器(NFVDs)结构进行动力时程分析,以评价NFVDs对该结构的多维减震性能。通过大量的计算分析与比较,综合出了许多有益的结论与建议,为该实际工程或类似工程的减震设计提供参考依据。     

安装新型形状记忆合金阻尼器的古塔结构地震反应有限元分析

本文设计了一种拉压型形状记忆合金（SMA）阻尼器,对广东省的一座古塔进行减震控制。通过把SMA阻尼器安装在古塔上,可同时减少古塔在水平地震和竖直地震作用下的响应。采用大型通用软件ANSYS对古塔安装和不安装SMA阻尼器结构分别进行了有限元仿真分析,对结构的动力特性、水平地震反应和竖向地震反应进行了分析和对比,探讨了SMA阻尼器的控制效果,分析结果与振动台试验数据进行了比较,验证了分析结果的可靠性。     

带加强层高层建筑地震作用分析与减震研究

带加强层的高层建筑在地震作用下侧移和内力有特有的规律。针对带加强层高层建筑分析其动力特性和地震作用下的侧移规律,并进行减震效果研究和优化设计,提出设计建议。以某高烈度区一座带加强层高层建筑为例的分析结果表明,带加强层的高层建筑在地震荷载作用下侧移有突变,楼板缺失导致整个结构变形规律发生改变,附加粘滞流体阻尼器后层间位移角和底部剪力都有所减小,减震方案优化后减震效果良好。     

粘滞流体阻尼墙对平面不规则结构的扭转效应控制研究

平面不规则结构由于平扭耦联会使边界处的位移较规则结构增大很多,而给结构配置阻尼器是减小平面不规则结构边界位移的有效途径,该文将耗能效率较高的粘滞流体阻尼墙应用于控制平面不规则结构的扭转响应,研究阻尼墙控制结构扭转效应的机理及控制结构扭转的优化布置。将减震系统刚度矩阵转换到结构的质量中心,将配置阻尼墙后形成阻尼中心的阻尼矩阵转换到质量中心,从而建立可以考虑扭转效应和附加阻尼位置效应的非线性运动控制方程,并根据响应结果推导出结构位移比的表达式;利用运动方程研究阻尼中心的位置、阻尼力的大小、阻尼参数等对结构扭转效应的影响规律,结合结构位移比的表达式提出阻尼墙的平面配置原则和最优阻尼参数的取值方法。以某L型高层建筑为工程背景,根据上述原则配置阻尼墙并选取阻尼参数,并对减震体系在最不利地震动输入方向上进行非线性时程分析,分析结果表明通过合理配置粘滞阻尼墙,L型结构的扭转响应得到了有效的控制,结构最大边界位移和位移比大大降低。该研究结果为采用阻尼墙控制不规则结构扭转效应提供了基本原则和方法,并为不规则结构的减震设计提供有益的借鉴和参考。     

空间地震动输入下大跨度拱桥减震控制研究

对拱桥这种大型结构在地震激励作用下实施减震控制是提高结构安全性的重要途径.本文提出在大跨度中承式拱桥上设置粘滞阻尼器的减震控制方案.考虑粘滞阻尼器的非线性粘滞阻尼特性,采用对状态方程直接积分的方法对设有阻尼器减震装置的拱桥结构进行非线性被动减震控制分析.以重庆菜园坝大桥作为模型原型,建立拱桥三维有限元模型,对比分析了该桥在一致输入、行波输入的减震效果.分析结果表明,设置阻尼器后,纵向一致激励、行波输入下位移反应都有较好的减震效果;但行波输入下拱桥内力减震效果优于一致输入下的减震效果.     

负刚度非线性能量阱减震控制性能研究

提出设置含负刚度特性的非线性能量阱（NES）来实现结构地震响应控制,针对典型的单层和双层层模型,在附加质量占主质量5%的限定条件下,对采用负刚度NES、立方NES和经典质量调谐阻尼器（TMD）控制方式的装置参数进行数值寻优,对优化的减震控制性能进行对比分析。结果表明,负刚度NES减震控制性能全面优于已有的立方NES,对主结构动力特性变化的鲁棒性优于TMD,对地震动峰值变化的鲁棒性与TMD相当。应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱分析,揭示了在地震作用过程中,负刚度NES总体上对主结构产生更为显著、更为持续的瞬时内共振俘获行为,因而其减震效率较高,且由于这种瞬时内共振俘获是在多频域上同时展开的,使其减震控制性能具有强鲁棒性。     

混有空气的孔隙式粘滞流体阻尼器模型及性能研究

孔隙式粘滞流体阻尼器除了阻尼力外还有附加刚度特性。在混有空气的情况下,流体阻尼器效能会发生改变,对附加刚度有显著影响。为了研究并预测混有空气的流体阻尼器的动态特性,从混有空气的流体非线性阻尼力和非线性弹性力串联模型出发,通过分析计算非线性阻尼器的等效线性阻尼和弹性,建立了便于工程实际应用的流体阻尼器线性并联模型,分析了混有空气的流体阻尼器在不同频率和位移工况下效能和附加刚度的变化。通过对孔隙式粘滞流体阻尼器的动态特性试验,验证了分析方法和等效线性模型的正确性。     

安装粘滞阻尼消能支撑结构随机地震反应分析

对安装有粘滞阻尼消能支撑的多自由度减震结构基于随机地震动模型的动力反应进行了研究。假定地震地面运动为具有金井清谱的平稳过滤高斯白噪声过程,采用等效线性化的粘滞阻尼器力学模型,建立了粘滞阻尼减震结构在随机地震动模型激励下的动力方程。考虑到粘滞阻尼器附加给结构的阻尼矩阵为非经典阻尼矩阵,不能满足振型正交的解耦条件,将动力方程表达为状态方程形式,在状态空间内运用复模态分析方法和随机振动理论建立了减震结构和减震装置地震反应计算方法,在时域内推导了粘滞阻尼减震结构随机反应的统计特征解析式。最后,通过一个设置粘滞流体阻尼器的框架结构计算实例,说明了这种方法的运用。该方法引入了状态空间的概念,可直接对结构的动力方程进行解耦,求解随机反应的时域解析解,使得减震结构方差反应等统计量的计算非常简便,并且可以为粘滞阻尼减震结构抗震可靠性分析和基于可靠度优化提供基础。     

附加黏弹性阻尼器的钢框架结构减震性能研究

定义未加黏弹性阻尼器的结构为原结构,附加黏弹性阻尼器的结构为消能减震结构。建立12层钢框架结构模型并计算其恢复力特性,根据原结构以及采用分数微分方法计算的消能减震结构的振动微分方程,分别编制两种结构的弹塑性时程分析程序,计算在多种地震动作用下的地震反应,并对两者的能量分配进行比较分析。对消能减震结构中黏弹性阻尼器的不同布设方式以及投放量进行研究,得出阻尼器投放量与楼层的相关性并进行验证。结果表明,黏弹性阻尼器不仅具有很好的减震效果,而且可以根据阻尼器投放量与楼层的相关性确定阻尼器投放量,使结构的减震效果达到较优的状态。     

非线性结构利用摩擦阻尼器振动控制的优化设计

研究了强烈地震作用下非线性结构中摩擦阻尼器的参数优化问题。非线性结构的恢复力和摩擦阻尼器的滞回特性分别用连续的Bouc-Wen模型表示,利用遗传算法以相对性能指标为目标函数对阻尼器的参数进行优化,比较了不同地震波下摩擦阻尼器的减震效果。取一个八层结构为例进行计算,结果表明,摩擦阻尼器能有效地减小非线性建筑结构在强烈地震下的响应,Bouc-Wen模型能够较好地模拟摩擦阻尼器的滞回性能,使用遗传算法优化后摩擦阻尼器的参数,提高了结构的减震效果。     

基底悬摆隔震结构振动台试验研究

基底悬摆隔震(Base-suspended Pendulum Isolation, BSPI)结构通过设置在基底处的吊杆来悬挂整体结构,隔离地震作用,减小结构地震响应。为了解BSPI结构的抗震性能,设计和制作了等效BSPI结构模型,分别进行了水平单向和三维的振动台试验。试验设计内容包括等效结构试验模型、减震弹簧及耗能阻尼器的参数、试验工况、测点布置以及地震波选取。试验结果表明,BSPI结构在设防地震和罕遇地震下具有良好的隔震效果,阻尼器对结构位移和加速度响应控制效果明显,同时布置的竖向隔震措施对水平向地震响应影响较小。最后,采用有限元软件对BSPI结构进行地震响应数值模拟,模拟结果与试验结果吻合很好。     

黏弹性阻尼器减震结构基于位移减震域的设计方法

对高烈度区设置黏弹性阻尼器的减震结构进行了地震作用下的非线性动力时程分析,提出了减震结构位移减震域的概念,并定义层间位移减震比来评价减震结构的减震效应。建立了不同高度质点系模型并完成了结构动力响应分析,研究了阻尼器参数及设置位置对结构层间位移减震效果的影响域。通过对层间位移减震比进行曲线拟合,提出了减震域的预测计算公式,并以实际工程案例对拟合函数进行了验证。研究表明黏弹性阻尼器对结构设置层以上的减震效果较设置层以下的减震效果明显,且黏弹性阻尼器参数及不同设置层的减震比具有线性叠加的特点。减震结构在减震目标确定后,可采用文中减震比拟合公式对阻尼器设置效果进行快速评价。     

调频型颗粒阻尼器参数优化方法及有效性评价

基于调频型颗粒阻尼器(Tuned Particle Damper,简记为TPD)的简化线性分析模型-双调谐质量阻尼器(Doubly Tuned Mass Damper,简记为DTMD)模型建立了TPD的数值优化方法,对TPD的参数进行了分析和优化,建立了TPD的简化非线性分析模型及其参数计算方法,并利用该简化非线性分析模型对上述TPD数值优化方法进行了评价。理论和数值研究结果表明：与单TMD相比,TPD简化线性分析模型-DTMD的减震频带更宽,控制效果的鲁棒性更好;依据数值优化方法得到的TPD具有良好的减震控制效果;TPD简化非线性分析模型及其参数计算方法,可为颗粒阻尼器的应用提供一定的理论和数值分析指导。     

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。