巨—子结构控制体系的理论与试验研究

发布时间：2019-09-11 13:48

【摘要】：巨-子结构控制体系是指巨型结构在其主结构与子结构之间设置控制装置而形成的一种新型结构体系。近年来,巨-子结构控制体系因其优良的减震性能而成为众多学者研究的焦点。但是,目前对于巨-子结构控制体系的研究中还存在许多亟需解决的问题。比如,结构体系的减震机理及参数优化、结构体系的破坏模式及该体系可靠度和灵敏度的研究等问题。本文充分借鉴巨-子结构控制体系已有的研究成果,对结构体系的减震机理、参数优化、能量响应分析、扭转效应及摇摆性能对结构体系的影响以及巨-子结构控制体系的可靠度、灵敏度和易损性进行了理论分析,在此基础上进行了振动台试验研究,主要研究工作及成果包括如下几个方面:(1)研究了巨-子结构控制体系中当子结构与主体结构之间的质量比由小到大时其相应的减震机理。研究表明巨-子结构控制体系的减震机理为:当子结构与主结构的质量比较小时表现为TMD调谐,质量比较大时表现为基础隔震,中间区域为层间隔震,这与以往认为巨-子结构控制体系减震机理是调谐起控制作用不同。并从能量的角度进一步解释了巨-子结构控制体系的减震机理。最后,通过HHT变换得出巨-子结构控制体系的边际谱强度,从能量方面证明巨-子结构控制体系在减震方面的有效性。(2)分析了巨-子结构调谐体系以及巨-子结构层间隔震体系的参数优化问题。在此基础上,建立了多自由度巨-子结构控制体系的运动方程,研究了减震子结构的位置及数量对最优参数的影响规律。结果表明:减震子结构的布置位置对子结构的最优频率比影响较小,而对子结构的最优阻尼比影响较大,减震子结构的数量对子结构的最优频率比和最优阻尼比均产生较大影响。最后,在最优参数的基础上,从随机谱分析、时程分析等角度研究了巨-子结构控制体系的减震效果。(3)采用串联刚片系模型,研究了巨-子结构控制体系的偏心参数对巨-子结构控制体系地震响应的影响规律。偏心参数主要包括:主结构的偏心率、转侧刚度比以及子结构的偏心率和转侧频率比。研究结果表明:结构的偏心参数不仅会影响结构的侧向地震动响应还会影响结构的扭转向地震动响应,且随着偏心参数的变化,结构的响应呈现出不同的变化趋势。通过推导考虑摇摆时巨-子结构隔震体系的运动方程,运用均匀调制单点激励非平稳随机响应的虚拟激励法得出结构响应的谱密度及其时变方差,并用MATLAB编制相关程序对结构进行分析计算。结果表明:存在一个界限刚度比1?,当刚度比小于1?时,考虑摇摆时隔震结构的响应较普通隔震结构的响应相比变化明显,当刚度比大于1?时,考虑摇摆时隔震结构的响应与普通隔震结构的响应基本吻合。(4)基于随机振动的首次超越破坏准则,分析了结构体系的动力可靠度的计算方法。考虑地震激励为随机,结构处于弹性状态时分析了结构的随机参数对巨-子结构控制体系的层间位移角的可靠性灵敏度。另外,根据结构的地震响应信息,分析了结构的响应对各参数的灵敏度情况。从理论上给出了巨-子结构控制体系在做研究时,常采用质量比、频率比、阻尼比这几个变量的原因。最后,考虑巨-子结构控制体系自身的随机参数,采用概率密度演化方法给出结构随时间变化的概率密度演化过程,利用概率密度演化方法对随机巨-子结构控制体系的动力响应进行分析和预测。(5)考虑近场与远场地震动的不确定性,采用增量动力分析的方法(IDA)对比分析了传统巨-子结构抗震体系和巨-子结构控制体系在近、远场地震作用下的地震易损性。其次,考虑地震动和结构物理参数的不确定性,以中心复合设计方法建立地震动-巨子结构控制体系样本,对系统样本模型进行非线性动力时程分析,建立了巨-子结构控制体系各结构的响应面模型,在此基础上采用蒙特卡洛模拟获得易损性曲线。研究结果表明:近场地震作用下巨-子结构控制体系的失效概率大于远场地震作用下的失效概率,且在轻微破坏、中等破坏、严重破坏状态中,结构系统的失效主要由子结构控制,在同时考虑子结构的倒塌破坏状态中,结构系统的失效由隔震层的失效控制。(6)进行了振动台模型试验,制作了三个不同的试验模型:抗震结构、隔震结构、隔震-底部固结结构。通过施加不同的荷载工况,对比分析了抗震结构与隔震结构以及隔震-底部固结结构的试验结果。试验结果表明:隔震体系以及隔震-底部固结结构在地震作用下的响应要小于抗震结构在地震作用下的响应,达到了预期的效果。(7)利用大型有限元分析软件SAP2000建立了抗震结构、隔震结构以及隔震-底部固结结构的理论分析模型,以台面实测的地震波作为输入对各个试验模型进行了非线性时程分析,对不同结构模型的动力特性、加速度反应、主结构层间位移反应、子结构层间位移反应以及隔震层的层位移等进行了对比分析,并与振动台实测的结果做了对比,结果表明:理论分析与试验结果所得数值大致吻合,说明了本次振动台试验的准确性。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU352.1

【参考文献】