附加粘滞阻尼器消能减震结构的减震效率研究

发布时间：2020-04-02 22:48

【摘要】：消能减震结构是在主体结构中设置耗能装置用以耗散地震输入的能量,从而减小主体结构的地震响应,实现结构的抗震设防目标。随着消能减震技术写入《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)和《建筑消能减震技术规程》(JGJ 297-2013),并在《建设工程抗震管理条例(征求意见稿)》中也鼓励采用消能减震技术,标志着该技术在我国的应用越来越广泛,但其设计理论和计算方法仍有待进一步完善。本文便是在这样的背景下,研究了附设粘滞阻尼器后消能减震结构的减震效率这一迫在眉睫的问题,旨在为附设阻尼器后最大限度地降低结构建设成本作出重要指导及建议。文中提出并重点研究了影响减震效率的两个参数:阻尼器支撑构件刚度与结构体系侧移刚度之比——支撑刚度系数(N),阻尼器最大位移与其所在楼层最大位移之比——层间位移利用率(η)。首先详细分析支撑构件刚度对阻尼器耗能效率的影响,考虑N后分别建立线性减震体系在简谐振动和随机振动下的力学模型,推导各减震体系最优阻尼参数与N的关系;然后提出利用层间位移利用率来评价附加粘滞阻尼器后结构的减震效率,详细分析了影响η的阻尼器布置位置、梁柱线刚度比等主要因素,并推导出η的计算式;最后通过一系列典型试验的研究和实际工程的应用,充分验证了减震效率在消能减震结构设计中的重要性。主要研究内容及结论如下:(1)提出了用层间位移利用率来评价粘滞阻尼器在框架结构中耗能效率的方法,推导了层间位移利用率关于阻尼器布置位置、梁柱线刚度比等参数的计算式,得到了层间位移利用率对减震效率的影响规律。(2)建立了考虑支撑刚度系数的线性减震体系力学模型,利用拉普拉斯变换推导了减震体系最优阻尼比、频响曲线最低峰值等最优阻尼参数与支撑刚度系数的关系,并研究了支撑刚度系数对减震效率的影响规律。(3)基于幅频响应曲线中的定点理论推导出各减震体系的理论最优阻尼比和频响曲线峰值最低点的计算式,用于指导消能减震结构的最优设计意义重大;根据精度要求可取N3、N4或N6,当取N6时,最优阻尼比增幅和最低峰值降幅分别控制在10%和5%以内,此时N对阻尼器耗能效率的影响可近似忽略。(4)考虑层间位移利用率对结构减震效率的影响后,通过某八层钢筋混凝土框架结构实例,在两层布置阻尼器时居中、三层布置时位于0.25处、四层布置时靠边,当结构的附加阻尼比及减震效果均比较接近时,阻尼器的数量分别为16套、24套、32套,充分验证了基于层间位移利用率的方法进行减震结构设计的实用性与经济性。(5)针对一系列单自由度体系(15小组)、多自由度体系(8小组)振动台试验的研究结果表明:阻尼器布置位置越靠近梁跨中部,支撑刚度系数、梁柱线刚度比、楼层侧移刚度越大,则减震体系的层间位移利用率、附加阻尼比越大,各种结构响应越小;阻尼器靠边布置时的层间位移利用率仅为居中布置的70%~80%,附加阻尼比也明显减小,单自由度体系约减小10%~25%,多自由度体系约减小20%~40%;支撑刚度系数对层间位移利用率和附加阻尼比的影响显著,随着试验中支撑刚度系数的增大,层间位移利用率和附加阻尼比分别在0.21~1.10和1.5%~26.6%之间变化。(6)通过理论分析、数值模拟、典型试验及工程应用的研究,得到支撑刚度系数越大、层间位移利用率越高,结构的减震效率越明显;并给出了支撑刚度系数和层间位移利用率两个参数的建议取值;提出了完整的“基于减震效率的减震结构设计方法流程图”,以期为今后粘滞阻尼减震结构的优化设计及其经济性分析提供指导和建议。
【图文】：

示意图,传统抗震结构,消能减震,结构耗能

(a) 地震输入 (b) 传统抗震结构 (c) 消能减震结构图 1-2 传统抗震结构与消能减震结构耗能对比示意图传统抗震结构能量方程：in v c k hE E E E E（1-1）消能减震结构能量方程：' ' ' ' 'in v c k h dE E E E E E（1-2）式中，inE 、'inE 分别指地震过程中输入传统抗震结构和消能减震结构体系的能量；vE 'vE 分别指传统抗震结构和消能减震结构体系的动能；cE 、'cE 分别指传统抗震结构和消能减震主结构体系自身的粘滞阻尼耗能；kE 、'kE 分别指传统抗震结构和消能减震结构体系的弹性应变能；hE 、'hE 分别指传统抗震结构和消能减震主结构体系自身构件的滞回耗能dE 指消能减震结构体系中耗能装置（阻尼器）吸收的能量。在能量方程式（1-1）和式（1-2）中，、和、所表示的动能及弹性应变能仅能发生能量的转换而不能耗散能量，、仅占总能量的很小比例（混凝土结构约占5%，钢结构约占 2%~4%），可忽略不计。故传统抗震结构的能量耗散主要依靠结构的滞回

示意图,消能减震,结构耗能,原理

明理工大学博士学位论文效果的两点规律：1）阻尼约消耗地震能量的 79%；2）位移降低率约为 46%。”也就，附设阻尼器后的消能减震结构在地震作用下的响应将大大减小，从而更好地保护了结构，避免或延迟了主体结构的损伤甚至破坏。消能减震结构主要是通过附设的阻尼器增加结构阻尼或刚度，从而减少地震作用所的结构响应。按阻尼器耗能机理的不同，，阻尼器大致可分为速度相关型阻尼器、位移型阻尼器和复合型阻尼器三大类[10, 11]。一般情况下，常见的速度型阻尼器仅为结构提加阻尼，如粘滞阻尼器、粘滞阻尼墙等；位移型阻尼器既能为结构提供较大的附加刚能为结构提供一定的附加阻尼，常见的有各种金属阻尼器（剪切型阻尼器、弯曲型阻、屈曲约束支撑、铅阻尼器等）和摩擦阻尼器等。对于既附加阻尼又附加刚度的结构，其减震基本原理示意图如图 1-3(a)所示；对于仅附加阻尼的结构而言，其减震基本示意图如图 1-3(b)所示，图中 Tf表示传统抗震结构的周期，Teq表示附加阻尼和刚度后结构的周期，T1为仅附加阻尼后减震结构的周期（与传统抗震结构的周期相同）。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU352.1

【参考文献】