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。     

下部减震层间隔震结构振动台试验研究

层间隔震体系是基础隔震体系的发展与延伸,作为一种复杂结构体系,以往的研究仅限于探讨隔震层参数对地震响应及减震效果的影响,本文首次进行了下部结构附加黏滞阻尼器的层间隔震结构振动台试验研究。设计了1个四层的钢框架模型,首先进行了基础固接及1层顶隔震的振动台试验研究,其次,在1层顶隔震的基础上,在下部结构附加了黏滞阻尼器进行下部减震层间隔震结构的振动台试验研究,测定结构的加速度、层间位移及层剪力系数。试验结果表明,下部减震是在层间隔震基础上进一步提高隔震减震效果,降低结构地震响应行之有效的策略。本文还建立了层间隔震结构的有限元模型,将有限元分析结果与试验结果进行了对比。     

层间组合隔震结构随机动力可靠度分析

为了限制隔震层在大震作用下的层间位移,基于在隔震层增设黏滞阻尼器的层间组合隔震体系,分别采用刚度非退化和退化的Bouc-Wen模型模拟隔震层及其他楼层的恢复力特性,建立了层间组合隔震结构在大震作用下的运动方程,运用虚拟激励法对该体系进行随机响应分析,得到了隔震层及其他各层层间响应峰值的统计量。以隔震层和其他各层的最大层间位移作为控制指标,建立极限状态方程,采用当量正态化法(JC法),基于串联模式计算了体系的动力可靠度。通过数值分析,比较了层间组合隔震、层间隔震与非隔震结构的总体失效概率。最后通过改变黏滞阻尼器的速度指数和黏滞阻尼系数,系统地研究了黏滞阻尼器参数对层间组合隔震结构动力可靠度的影响。结果表明:层间组合隔震结构的总体失效概率比层间隔震结构和非隔震结构都要低。当黏滞阻尼系数不变时,速度指数越小,结构的总体失效概率越低;当速度指数不变时,随着黏滞阻尼系数的增加,结构的总体失效概率呈现出先减小后增大的趋势,结构的主要失效模式也逐渐由隔震层过渡为上部结构。     

极端地震下惯容器-弹簧-阻尼装置对隔震结构减震效果研究

通常在隔震层附加黏滞阻尼系统以增加阻尼从而减少大震下的隔震层位移,但可能带来结构加速度响应的增加,故在减少隔震层位移与加速度响应增加这两者间需要平衡。将惯容器-弹簧-阻尼装置(ISD)应用于隔震结构受极端地震作用时抑制过大的隔震层位移,同时控制加速度响应的增加,ISD装置由惯容器串联弹簧单元和阻尼单元构成,该装置具备放大表观质量和对主系结构进行调谐。基于定点理论推导了无阻尼单自由度体系受简谐荷载作用时的ISD最优参数封闭解,且对全频段最大值的控制效果好于既有文献的优化解。采用一栋6层隔震建筑为例进一步检验ISD的控制效果,分别附加ISD和线性黏滞阻尼器(LVD)在隔震层,ISD的参数由定点理论推导的最优解确定,从而进行极罕遇地震水准下的性能对比分析。算例结果表明,ISD装置性能优于LVD,ISD装置能更有效地改善极罕遇地震下的结构性能状况,在减少隔震层位移的同时也能减轻加速度响应,结构楼层剪力与倾覆弯矩有所降低。     

远场长周期地震下层间隔震结构的非线性减震分析

远场长周期地震动具有长持时、低频成份丰富等特征,部分地震动后期振动阶段产生多个循环脉冲,类似谐和振动;其可能对隔震建筑等长周期结构的抗震性能带来不利影响,需深入探讨。首先讨论远场长周期地震动的运动特征。然后以8条远场长周期地震与3条普通地震记录作为地震动输入,对一幢钢筋混凝土框架层间隔震结构进行了非线性地震反应分析。探讨地震波中的长周期成份,尤其类谐和成份对隔震结构减震性能的影响。提出在隔震层增设黏滞阻尼器,形成组合隔震方案;分析其对隔震层的限位保护效果与对隔震结构的非线性减震效果。结果表明:远场长周期地震作用下层间隔震结构的减震效果相比普通地震作用下的减震效果变差。特别在远场类谐和罕遇地震作用下,层间隔震结构的非线性响应相比抗震结构几乎无减小,甚至显著放大;隔震支座最大位移远超越其允许位移。组合隔震能较有效地控制远场长周期地震、特别是远场类谐和地震作用下隔震结构的非线性反应,尤其可显著减小隔震支座的最大位移,防止隔震支座破坏。     

近场地震作用下考虑P-Δ效应的首层柱顶隔震结构地震反应分析

近场地震所具有的位移和速度脉冲,会使得结构隔震层处形成较大的层间位移,结构的二阶效应不容忽视。首先,构造水平力偶来代替结构轴向力形成的附加弯矩,得到了一几何刚度矩阵,在此基础上提出了求解层间隔震结构P-Δ效应的免迭代计算方法;其次,分别选取了10组近场地震波和10组远场地震波,对层间隔震结构作了时程分析,研究了近场地震波对层间隔震响应的影响;最后,分析了近场地震作用下,P-Δ效应对层间隔震系统下部结构的影响。研究表明:近场地震作用下,层间隔震结构反应显著增大,在PGA=200cm/s2输入地震波下,P-Δ效应使得下部结构的响应增加50%左右。     

核电厂隔震结构附加侧向阻尼系统分析模型及减震效果

提出对半埋置/全埋置小堆三维隔震结构附加侧向黏滞阻尼的混合控制系统,达到同时控制水平加速度、水平位移以及摇摆反应且不影响竖向隔震效果的目的。基于隔震层及侧向阻尼系统变形分析,建立考虑隔震层平动及摇摆的耦合效应和侧向阻尼器协调转动变形的刚体动力学模型。基于RG1.60谱选取30条地震输入信号开展参数分析,探究阻尼布置参数、附加阻尼力参数及阻尼滞回形状参数对减震效应的影响。研究发现合理的附加阻尼力与隔震层出力比值区间为10%～20%,最优参数下水平加速度位移可同时分别减小20%,40%,最大摇摆反应减小70%。选取合理阻尼参数对某真实核电厂模型进行案例分析,摇摆角、加速度、隔震层位移等地震响应指标均减小,边支座受拉现象消失,案例数值模拟结果与参数分析规律一致,也与理论分析吻合。     

长周期地震动作用下高层隔震结构减震性能试验研究

近、远场长周期地震动中的长周期和近场脉冲特性的存在,可能导致长周期的高层隔震结构产生隔震层位移放大效应。通过振动台试验分析与验证其对长周期的高层隔震结构减震性能带来的不利影响,首先分析近、远场长周期地震动的反应谱特性;接着设计制作一个具有典型工程意义的大底盘单塔楼缩尺模型,进行有限元分析与振动台试验,探讨长周期地震动对楼层加速度、层间位移和隔震层位移等减震性能的影响;最后针对可能出现的隔震层位移超限问题,提出在隔震层增设黏滞阻尼器组成的复合减隔震体系,分析验证其减震和限位保护效果。结果表明:远场长周期地震动下隔震结构的响应明显大于普通周期地震动;近场脉冲长周期地震动作用下结构减震效果较差,隔震层位移明显大于位移容许值;复合减隔震体系有效地控制了隔震层的最大位移,降低了大底盘的加速度和层间位移响应,同时对上部塔楼也具有较好的减震效果。     

隔震体系对摇摆自复位高墩工作性能的影响

为提高摇摆自复位高墩的隔震性能,将铅芯橡胶支座及液体黏滞阻尼器与摇摆自复位高墩进行组合形成了2种不同的隔震体系。以2种不同强度下的3条地震动作为输入,采用OpenSEES利用动力时程分析方法对各隔震体系的地震动响应进行了分析。通过对墩身最大剪力、墩身最大弯矩、墩顶最大位移和主梁最大位移的隔震指标及最大墩梁相对位移绝对值的对比发现:墩梁固结条件下在桥台与主梁间设置液体黏滞阻尼器的体系2和墩、梁间设置铅芯橡胶支座且在桥台与主梁间设置液体黏滞阻尼器的体系3分别适合作为软土场地和硬土场地上修建的摇摆自复位高墩的隔震体系。     

隔震层(偏心)对基础滑移隔震结构平-扭耦联地震反应的影响

对多层基础滑移隔震结构进行了水平双向地震作用下的平-扭耦联地震反应分析,研究了隔震层偏心和隔震层抗扭刚度对结构地震反应的影响,分析表明,隔震层刚度偏心比隔震层质量偏心对基础滑移隔震结构地震反应的影响较大;隔震层的抗扭刚度对隔震支座位移有一定程度的影响,增大隔震层的抗扭刚度可减小隔震支座的位移;当隔震层中隔震支座均匀对称布置时,基础隔震偏心结构的地震反应可以得到较好的控制。