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。     

位移相关摩擦阻尼器基础隔震结构地震响应分析

考虑了阻尼器中斜坡面反力对位移相关摩擦阻尼器输出力的贡献,从而完善了阻尼器的力学模型,并以一个典型的5层剪切型结构为例,评估了位移相关摩擦阻尼器对橡胶基础隔震结构抗震性能的影响。数值分析表明,位移相关摩擦阻尼器能减小常规地震作用下隔震层的位移响应,但是会增加隔震结构的底层剪力和顶层加速度;在近断层脉冲型地震波作用下,阻尼器能够显著降低隔震层位移,同时对上部结构的地震响应也有较好的抑制作用。此外,位移相关摩擦阻尼器的弹簧初始位移、弹簧刚度和楔块坡面角度这三个参数对隔震结构抗震性能的影响也进行了分析。     

新型钢滚轴及混合隔震结构地震模拟振动台试验研究

针对一种新型钢滚轴隔震支座进行研究,分别设计制作了一组钢滚轴隔震支座和一组摩擦摆隔震支座,并完成了某两层钢框架的固结、纯滚轴隔震、滚轴+MR被动阻尼器混合隔震和摩擦摆隔震模型的振动台试验。研究了各模型在地震加速度峰值为0.10 g、0.20 g的3条地震波作用下的结构响应,试验结果表明:新型钢滚轴隔震支座的隔震效果优于摩擦摆隔震支座,纯滚轴隔震模型和滚轴+MR被动阻尼器的混合隔震模型均可降低结构加速度反应56.1%～80.8%,且合理的优化混合阻尼隔震体系的阻尼值可使隔震效果更佳。同时,采用MR阻尼器的混合隔震模型较纯滚轴隔震模型可降低隔震层位移反应58.7%～87.4%,且随着阻尼值的增大其控制效果更好。因此,将新型钢滚轴隔震支座与阻尼装置配套使用的方法有效可行,在充分发挥滚轴隔震支座隔震效果的同时避免了结构隔震层位移过大的问题。     

复摩擦摆隔震性能的振动台试验研究

本文通过模型振动台试验研究采用复摩擦隔震支座(MFPB)的楼面隔震性能。试验结果表明,隔震层上部荷载变化对MFPB隔震效果没有影响;MFPB与黏滞阻尼器的协同工作能够控制隔震楼面的位移;竖向地震动对MFPB的水平隔震效果无明显影响;用SAP2000中的摩擦连接单元模拟MFPB隔震效果的精度是满足工程需求的。     

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。     

开槽U型金属屈服阻尼器横向性能试验研究

在隔震层安装金属屈服阻尼器可以有效控制隔震层在地震下的位移。由于隔震层在地震下产生多向变形,因此要求安装在隔震层中的金属屈服阻尼器需具有多向的变形能力。既往研究表明U型金属屈服阻尼器在面内具有良好的耗能能力,对于提高结构阻尼比,控制隔震结构的位移具有非常显著的作用。然而关于其面外性能的深入研究尚未见报道。提出了开槽U型阻尼器以提高其面外性能,并通过拟静力试验考察了阻尼器宽度,高度,以及长度对其面外性能的影响,实验表明合理设计的开槽U型阻尼器具有良好的耗能能力和低周疲劳性能。同时采用有限元方法补充了试件的数量,进行了参数分析。根据参数分析的结果提出了开槽型U型金属屈服阻尼器的屈服位移,屈服恢复力设计公式。另一方面,根据虚功原理提出了开槽U型阻尼器的极限恢复力计算公式,并通过试验结果与有限元模型的计算结果校对了该公式的精度和适用范围。     

基于复杂三维有限元模型和鱼群算法的平面不规则结构中位移型阻尼器参数和位置的优化方法

平面不规则结构在水平地震作用下由于结构刚心和质心不重合而引起的结构扭转耦联使得结构位移比不满足规范要求。在平面不规则结构中布置位移型阻尼器能有效的减小结构的位移比,但阻尼器的参数和位置直接决定了对结构的扭转反应控制效果。首先设计简单的双向偏心框架结构算例,研究位移型阻尼器布置位置和参数对平面不规则结构扭转响应的控制规律。在此基础上基于基本人工鱼群算法结合有限元软件SAP2000API开发一种针对偏心结构中位移型阻尼器布置的优化模型,模型面向多维多自由度实际有限元结构模型,可同时对结构各层位移型阻尼器的布置位置和参数进行优化。最后,利用该文建立的优化模型对某位移比超限的多层不均匀偏心实际结构中的位移型阻尼器进行优化布置,结果表明该文优化模型计算出的位移型阻尼器布置方案使结构的位移比得到了有效的控制。     

偏心轮叠层摩擦阻尼器的滞回性能研究

为解决常规摩擦阻尼器过大压力导致的一系列问题,设计一种新型偏心轮叠层摩擦阻尼器。该阻尼器以并联多层叠加的摩擦面的方法,实现在较小摩擦界面正压力条件下获得目标摩擦阻尼力的目的;设置偏心轮加压装置,使得阻尼器实现变摩擦功能,且阻尼器摩擦面在服役期间的待命阶段的预压力为0,以提高阻尼器的可靠性,进一步解决过大压力的问题。通过往复加载试验对该阻尼器的性能进行了研究,获得了偏心轮叠层摩擦阻尼器阻尼力与位移的关系,并对偏心轮叠层摩擦阻尼器力学性能进行了有限元分析。结果表明:阻尼器摩擦板的叠层设计能够有效放大了摩擦阻尼力;偏心轮叠层摩擦阻尼器可以提供变摩擦滞回曲线,理论公式、有限元模拟结果与试验结果吻合较好,可作为该阻尼器设计的参考依据。     

新型电流变智能隔震装置的结构隔震效果分析

将电流变智能阻尼器与叠层橡胶隔震垫相结合,形成新型电流变智能隔震装置,对结构进行智能隔震控制。首先,进行了新型电流变智能隔震装置的设计,推导了转动电流变阻尼器控制力的计算公式,提出了电场强度和装置剪切变形之间的函数关系,实现了拟限位型和拟摩擦型的隔震装置模型;然后,针对电流变智能隔震控制的特点,提出了摩擦控制的判别规则并给出了计算公式,编制了相应的程序;最后,对应用电流变智能隔震装置的单自由度结构进行了数值分析,结果表明:两种类型的隔震装置对结构都有较好的控制效果,限制了隔震层变形的同时不增加隔震层的加速度,控制效果比较理想。     

近场地震下层间隔震偏心结构的减震控制

提出了近场地震分析模型,建立了层间隔震偏心结构平-扭耦联运动方程。基于三刚片系简化模型分析了偏心参数对层间隔震偏心结构的影响规律,定量分析了近场地震中脉冲分量对层间隔震偏心结构地震反应的作用效应。研究了在隔震层附设黏滞阻尼器的参数优化规律并对某典型算例进行了仿真分析。结果表明,在层间隔震体系隔震层处设置参数合适的黏滞阻尼器可有效地控制上部结构、隔震层与下部结构结构的地震响应,减小结构的基底剪力,对改善层间隔震偏心结构的地震安全性具有非常重要的作用。     

隔震独桩平台地震反应的半主动磁流变阻尼器控制研究

提出了一种具有隔震构造的独桩平台型式，并采用半主动磁流变阻尼器对其地震反应进行控制。数值计算结果表明，半主动磁流变阻尼器可以有效地控制隔震独桩平台在地震作用下的位移反应。     

形状记忆合金-摩擦串联复合阻尼器对偏心结构振动控制的研究

采用自行研制的SMA-摩擦串联复合阻尼器控制偏心结构的平扭耦联振动。SMA-摩擦串联复合阻尼器能根据结构的地震响应自动调节耗能单元工作状态,且构造简单、经济实用。建立了SMA-摩擦串联复合阻尼器控制下偏心结构在双向水平地震作用下的运动方程,并编写程序计算结构的时程响应。以一六层剪切型偏心钢框架为例,计算结果表明：合理布置的阻尼器能有效抑制结构质心位移和质心层间位移,且对扭转振动的控制效果更佳;阻尼器对结构质心平移加速度的影响不大,但显著改变了扭转加速度。     

基于人工鱼群算法的位移型阻尼器位置和参数的优化方法

对耗能减震结构中,阻尼器参数和位置决定着结构的减震效果。基于人工鱼群算法提出一种针对位移型阻尼器优化设计的人工鱼群优化模型,模型面向以有限元模型表示的多维多自由度实际结构,对各层位移型阻尼器的位置和参数进行优化。针对结构中添加位移型阻尼器会使结构层剪力增大的问题,提出一种同时考虑结构各楼层层间位移角、各楼层加速度和层剪力变化的优化目标函数,同时利用均方根的形式更加有效的反应各响应在地震波峰值段的变化特性。结构减震控制优化设计时可根据结构的不同设计需求修正目标函数的加权系数。最后,通过数值算例验证本文优化模型的有效性。     

基于多级模糊控制的半主动隔震结构减震研究

提出了一种基于压电摩擦阻尼器的新型模糊控制器,对其在半主动隔震结构中的减震效果进行研究。该控制器引入多级式模糊控制策略,其中次级模糊控制器以隔震层的速度和位移为输入,以阻尼器的电压为输出;高级模糊控制器以地震动加速度为输入,实时调整次级模糊控制的量化因子及比例因子。为检验多级模糊控制方法的有效性,对一隔震结构进行数值模拟,并与被动控制和普通模糊控制的减震效果进行对比。数值结果表明:该方法能有效地降低隔震结构的基底位移和上部结构的加速度响应,并且对不同强度的地震动具有良好的适应性。     

带支撑Maxwell阻尼器多层隔震结构的随机地震响应分析

对隔震层附设带支撑的五参数Maxwell阻尼器的多层基础隔震结构随机地震响应解析解法及平稳响应进行了研究。首先将上部结构用第一振型展开,采用带支撑的五参数Maxwell阻尼器的积分型分析模型,用微分积分方程组实现对该结构的时域非扩阶精确建模;然后采用传递矩阵法,直接在耗能隔震结构原空间获得结构在任意激励下的位移、速度和阻尼器的时域瞬态响应解析表达式;最后在Kanai-Tajimi平稳滤过白噪声激励下,基于该解析解,获得了结构的位移、速度和阻尼器受力的随机响应方差,并给出算例,从而建立了该多层隔震结构在Kanai-Tajimi滤过白噪声激励下的随机响应解析分析方法。     

带支撑Maxwell阻尼器多层隔震结构的随机地震响应分析EI北大核心CSCD

对隔震层附设带支撑的五参数Maxwell阻尼器的多层基础隔震结构随机地震响应解析解法及平稳响应进行了研究。首先将上部结构用第一振型展开,采用带支撑的五参数Maxwell阻尼器的积分型分析模型,用微分积分方程组实现对该结构的时域非扩阶精确建模;然后采用传递矩阵法,直接在耗能隔震结构原空间获得结构在任意激励下的位移、速度和阻尼器的时域瞬态响应解析表达式;最后在Kanai-Tajimi平稳滤过白噪声激励下,基于该解析解,获得了结构的位移、速度和阻尼器受力的随机响应方差,并给出算例,从而建立了该多层隔震结构在Kanai-Tajimi滤过白噪声激励下的随机响应解析分析方法。     

高位层间隔震结构电梯井核心筒剪力墙处理方法研究

为了解决高位层间隔震结构中电梯井核心筒剪力墙在隔震层位置需断开的问题,提出一种高位层间隔震结构电梯井核心筒剪力墙处理方法（PMIT）,介绍了其原理、构造、特点。采用ETABS软件对电梯井核心筒结构与外围结构之间布置粘滞阻尼器、弹簧、无阻尼器和弹簧的PMIT结构、悬挂法结构和框支剪力墙结构进行了分析,分析结果表明：（1）PMIT结构隔震层下部结构层间位移角和隔震位置电梯井剪力墙弯矩相比于框支剪力墙结构都有减小,而悬挂法隔震层下部层间位移相比于框支剪力墙结构放大了约150%,PMIT对隔震层下部结构刚度不会产生影响,避免隔震层下部结构出现薄弱层;（2）相比于悬挂法结构,布置粘滞阻尼器PMIT结构隔震层最外侧隔震支座拉力减小了约50%（仅水平地震作用）,提高结构的抗倾覆性能。     

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。     

曲面隔震结构的动力模型与振动台试验研究

近年来超越最初设计地震的强震频繁发生,普通隔震结构在超设计地震作用下存在隔震层位移过大、支座剪断、甚至会造成隔震建筑与周围挡土墙发生严重碰撞的风险。提出了利用隔震层曲面特征及结构重力效应的曲面隔震新型隔震结构体系,控制隔震结构在强震作用下的隔震层位移响应。针对新提隔震结构体系建立了将隔震支座倾斜布置的简化单质点分析模型,并且对其加速度传递系数和位移传递系数进行了理论分析。设计制作了曲面隔震结构5层钢框架模型,与平面隔震结构模型和非隔震结构模型分别进行了地震模拟振动台试验。试验结果表明,曲面隔震结构加速度响应较普通隔震结构有所放大,显著小于抗震结构,曲面隔震结构的隔震层位移则比普通隔震结构明显减小,试验结果与理论研究结果相符。     

基于磁流变阻尼器的隔震高架桥Skyhook控制

为进一步提高隔震高架桥的抗震性能,避免在强震下隔震支座位移过大,可以将附加减震措施与隔震支座配合使用,组成混合隔震系统。基于位移控制目标,研究了简化的两自由度高架桥线性模型分别在最优被动控制、LQR主动控制、LQR-Clipped磁流变(MR)阻尼器半主动控制及MR阻尼器Skyhook控制下的地震响应。研究结果表明,基于Skyhook控制的MR阻尼器控制效果可以达到LQR-Clipped控制的效果,相对最优被动控制也体现出一定的优越性。并且Skyhook控制系统简单,具有较强的实用价值。