【摘要】：消能減震結(jié)構(gòu)是在主體結(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能裝置用以耗散地震輸入的能量,從而減小主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)。隨著消能減震技術(shù)寫入《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2001)和《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》(JGJ 297-2013),并在《建設(shè)工程抗震管理條例(征求意見稿)》中也鼓勵采用消能減震技術(shù),標(biāo)志著該技術(shù)在我國的應(yīng)用越來越廣泛,但其設(shè)計理論和計算方法仍有待進一步完善。本文便是在這樣的背景下,研究了附設(shè)粘滯阻尼器后消能減震結(jié)構(gòu)的減震效率這一迫在眉睫的問題,旨在為附設(shè)阻尼器后最大限度地降低結(jié)構(gòu)建設(shè)成本作出重要指導(dǎo)及建議。文中提出并重點研究了影響減震效率的兩個參數(shù):阻尼器支撐構(gòu)件剛度與結(jié)構(gòu)體系側(cè)移剛度之比——支撐剛度系數(shù)(N),阻尼器最大位移與其所在樓層最大位移之比——層間位移利用率(η)。首先詳細分析支撐構(gòu)件剛度對阻尼器耗能效率的影響,考慮N后分別建立線性減震體系在簡諧振動和隨機振動下的力學(xué)模型,推導(dǎo)各減震體系最優(yōu)阻尼參數(shù)與N的關(guān)系;然后提出利用層間位移利用率來評價附加粘滯阻尼器后結(jié)構(gòu)的減震效率,詳細分析了影響η的阻尼器布置位置、梁柱線剛度比等主要因素,并推導(dǎo)出η的計算式;最后通過一系列典型試驗的研究和實際工程的應(yīng)用,充分驗證了減震效率在消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要性。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)提出了用層間位移利用率來評價粘滯阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中耗能效率的方法,推導(dǎo)了層間位移利用率關(guān)于阻尼器布置位置、梁柱線剛度比等參數(shù)的計算式,得到了層間位移利用率對減震效率的影響規(guī)律。(2)建立了考慮支撐剛度系數(shù)的線性減震體系力學(xué)模型,利用拉普拉斯變換推導(dǎo)了減震體系最優(yōu)阻尼比、頻響曲線最低峰值等最優(yōu)阻尼參數(shù)與支撐剛度系數(shù)的關(guān)系,并研究了支撐剛度系數(shù)對減震效率的影響規(guī)律。(3)基于幅頻響應(yīng)曲線中的定點理論推導(dǎo)出各減震體系的理論最優(yōu)阻尼比和頻響曲線峰值最低點的計算式,用于指導(dǎo)消能減震結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計意義重大;根據(jù)精度要求可取N3、N4或N6,當(dāng)取N6時,最優(yōu)阻尼比增幅和最低峰值降幅分別控制在10%和5%以內(nèi),此時N對阻尼器耗能效率的影響可近似忽略。(4)考慮層間位移利用率對結(jié)構(gòu)減震效率的影響后,通過某八層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)實例,在兩層布置阻尼器時居中、三層布置時位于0.25處、四層布置時靠邊,當(dāng)結(jié)構(gòu)的附加阻尼比及減震效果均比較接近時,阻尼器的數(shù)量分別為16套、24套、32套,充分驗證了基于層間位移利用率的方法進行減震結(jié)構(gòu)設(shè)計的實用性與經(jīng)濟性。(5)針對一系列單自由度體系(15小組)、多自由度體系(8小組)振動臺試驗的研究結(jié)果表明:阻尼器布置位置越靠近梁跨中部,支撐剛度系數(shù)、梁柱線剛度比、樓層側(cè)移剛度越大,則減震體系的層間位移利用率、附加阻尼比越大,各種結(jié)構(gòu)響應(yīng)越小;阻尼器靠邊布置時的層間位移利用率僅為居中布置的70%~80%,附加阻尼比也明顯減小,單自由度體系約減小10%~25%,多自由度體系約減小20%~40%;支撐剛度系數(shù)對層間位移利用率和附加阻尼比的影響顯著,隨著試驗中支撐剛度系數(shù)的增大,層間位移利用率和附加阻尼比分別在0.21~1.10和1.5%~26.6%之間變化。(6)通過理論分析、數(shù)值模擬、典型試驗及工程應(yīng)用的研究,得到支撐剛度系數(shù)越大、層間位移利用率越高,結(jié)構(gòu)的減震效率越明顯;并給出了支撐剛度系數(shù)和層間位移利用率兩個參數(shù)的建議取值;提出了完整的“基于減震效率的減震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法流程圖”,以期為今后粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及其經(jīng)濟性分析提供指導(dǎo)和建議。
【圖文】：

(a) 地震輸入 (b) 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu) (c) 消能減震結(jié)構(gòu)圖 1-2 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)與消能減震結(jié)構(gòu)耗能對比示意圖傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)能量方程：in v c k hE E E E E（1-1）消能減震結(jié)構(gòu)能量方程：' ' ' ' 'in v c k h dE E E E E E（1-2）式中，inE 、'inE 分別指地震過程中輸入傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)和消能減震結(jié)構(gòu)體系的能量；vE 'vE 分別指傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)和消能減震結(jié)構(gòu)體系的動能；cE 、'cE 分別指傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)和消能減震主結(jié)構(gòu)體系自身的粘滯阻尼耗能；kE 、'kE 分別指傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)和消能減震結(jié)構(gòu)體系的彈性應(yīng)變能；hE 、'hE 分別指傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)和消能減震主結(jié)構(gòu)體系自身構(gòu)件的滯回耗能dE 指消能減震結(jié)構(gòu)體系中耗能裝置（阻尼器）吸收的能量。在能量方程式（1-1）和式（1-2）中， 、 和 、 所表示的動能及彈性應(yīng)變能僅能發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換而不能耗散能量， 、 僅占總能量的很小比例（混凝土結(jié)構(gòu)約占5%，鋼結(jié)構(gòu)約占 2%~4%），可忽略不計。故傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的能量耗散主要依靠結(jié)構(gòu)的滯回

明理工大學(xué)博士學(xué)位論文效果的兩點規(guī)律：1）阻尼約消耗地震能量的 79%；2）位移降低率約為 46%�！币簿�，附設(shè)阻尼器后的消能減震結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)將大大減小，從而更好地保護了結(jié)構(gòu)，避免或延遲了主體結(jié)構(gòu)的損傷甚至破壞。消能減震結(jié)構(gòu)主要是通過附設(shè)的阻尼器增加結(jié)構(gòu)阻尼或剛度，從而減少地震作用所的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。按阻尼器耗能機理的不同，，阻尼器大致可分為速度相關(guān)型阻尼器、位移型阻尼器和復(fù)合型阻尼器三大類[10, 11]。一般情況下，常見的速度型阻尼器僅為結(jié)構(gòu)提加阻尼，如粘滯阻尼器、粘滯阻尼墻等；位移型阻尼器既能為結(jié)構(gòu)提供較大的附加剛能為結(jié)構(gòu)提供一定的附加阻尼，常見的有各種金屬阻尼器（剪切型阻尼器、彎曲型阻、屈曲約束支撐、鉛阻尼器等）和摩擦阻尼器等。對于既附加阻尼又附加剛度的結(jié)構(gòu)，其減震基本原理示意圖如圖 1-3(a)所示；對于僅附加阻尼的結(jié)構(gòu)而言，其減震基本示意圖如圖 1-3(b)所示，圖中 Tf表示傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的周期，Teq表示附加阻尼和剛度后結(jié)構(gòu)的周期，T1為僅附加阻尼后減震結(jié)構(gòu)的周期（與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的周期相同）。
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU352.1

【參考文獻】

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1 焦馳宇;孫廣龍;陳永祁;張愷;張連普;馬良U

本文編號：2612544