基于粉土液化的屋顶花园减震性能研究

发布时间：2017-07-07 00:19

  本文关键词：基于粉土液化的屋顶花园减震性能研究

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【摘要】：结构振动控制的概念自提出以来,取得了大量的研究成果,现已成为结构抗震领域的热点课题之一。采用各种阻尼装置来控制结构的振动反应是一种典型的被动控制方法。由于其具有装置简单、安装方便、减振效果好等优点,在实际结构振动控制中得到广泛的应用。屋顶花园在改善城市居住环境方面具有重要作用,同时也蕴含有较好的减震价值。基于多种阻尼器的研究结果,结合屋顶花园与粉土震动液化现象,本文提出一种能够应用于土木工程结构的混合型消能减震阻尼装置。本装置充分利用了粉土震动液化现象,综合了调谐液体阻尼器、调谐质量阻尼器、粘滞阻尼器和颗粒阻尼器的减振原理。在楼层顶部增加由饱和砂土或粉土、质量块(如圆球状卵石)和植被组成的子结构,发生液化时粉土不再具有抗剪强度,呈流动状态,能够推动土中的物体一起运动,呈现出较好的耗能减震潜力。本装置克服了常见阻尼器减震原理单一、鲁棒性差等缺点,兼具减震效果好、造价低廉、维护费用低、绿色环保等优势,能够实现建筑美观和结构抗震的有益结合。首先,本文介绍了该混合型消能减震装置的主要组成以及调谐类减震装置的减震规律,并提出将粉土减震装置与屋顶花园结合起来的思路。其次,通过土工试验确定了所用土料的种类,并测定了所制备土样的饱和度;通过小型振动台试验,分析了粉土振动液化的现象和基本规律。随后,采用大型振动台试验,测试了装置的减震效果,并对试验结果进行了分析。最后,采用ANSYS软件并结合Housner集中质量简化法,模拟计算了相同条件下的TLD减震效果,将试验装置的减震效果与TLD进行了对比;采用流-固耦合的方法对水土混合物的振动模态进行了分析,得到了装置的基本振动频率。通过研究,本文得到以下结论:(1)通过增加外激励正弦波的加速度幅值和频率,饱和粉土能够产生震动液化现象,幅值和频率不同,粉土产生充分液化所需时间也不相同。(2)在水平单向激励下,混合型消能减震阻尼装置具有一定的减震效果:正弦波作用下,当激励频率接近装置中液化粉土晃动频率时,减震效果较好;El Centro波与Taft波作用下,装置均有较好的减震效果。(3)减震装置中增加铁球能够提高装置的减震效果。在正弦波和地震波作用下,装置中加入铁球后,相应的减震率均有增大现象。(4)通过对比TLD模拟结果与粉土减震装置试验结果发现,相同条件下的TLD对结构没有减震效果,说明装置的减震原理与TLD有很大不同,粉土减震装置能够提供较大的阻尼作用。(5)采用有限元模拟的方法计算了液化粉土的基本振动频率,结果与液体晃动频率理论计算值比较接近,说明采用流-固耦合的方法计算液体晃动频率是正确的,从而也提供了一种模拟计算容器中液体晃动频率的方法。本文的创新点(1)本课题逆向考虑了土体振动液化的不利影响,把工程界普遍认为有害的粉土液化现象应用到阻尼器的研发中,具有一定的创新性。(2)所研究的阻尼器是一种混合消能减震装置,综合了多种阻尼器的工作原理,克服了单一阻尼器应用条件受限和鲁棒性差等缺点。(3)所研究的阻尼装置构造简单,可与目前比较流行的楼顶花园融为一体,并且兼具造价低、天然环保、易于施工等优点。
【关键词】：混合型减震装置 粉土液化 减震率 集中质量简化法
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU435
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-13
• 1 绪论13-27
• 1.1 研究背景13-17
• 1.1.1 引言13-14
• 1.1.2 结构振动控制介绍14-17
• 1.2 常见阻尼器减震原理及研究概况17-21
• 1.2.1 调谐质量阻尼器TMD17-19
• 1.2.2 调谐液体阻尼器TLD19-20
• 1.2.3 粘滞阻尼器20-21
• 1.2.4 颗粒阻尼器21
• 1.3 土体振动液化研究概况21-24
• 1.3.1 砂土振动液化研究概况21-23
• 1.3.2 饱和粉土液化研究概况23-24
• 1.4 论文课题来源24-25
• 1.5 论文主要进行的工作25-27
• 2 混合型消能减震装置的设计及相关减震理论27-35
• 2.1 混合型消能减震装置的设计27-28
• 2.1.1 减震装置组成介绍27
• 2.1.2 减震机理27-28
• 2.1.3 减震装置的优势28
• 2.2 屋顶花园28-30
• 2.2.1 屋顶花园的价值28-29
• 2.2.2 屋顶花园的减震应用29-30
• 2.3 调谐类阻尼器减震原理30-34
• 2.3.1 无阻尼子结构的调谐减振控制31-33
• 2.3.2 有阻尼子结构的调谐减振控制33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 3 粉土土工试验与小型振动台试验35-45
• 3.1 粉土的定义与分类35
• 3.2 粉土的土工试验35-38
• 3.2.1 颗粒分析试验36
• 3.2.2 界限含水量试验36-38
• 3.3 饱和粉土液化的小型振动台试验38-44
• 3.3.1 液化土模型的制备39
• 3.3.2 箱体的制作39-41
• 3.3.3 小型振动台资料41-42
• 3.3.4 试验过程42
• 3.3.5 试验结果及分析42-44
• 3.4 本章小结44-45
• 4 装置减震性能的大型振动台试验45-69
• 4.1 地震模拟振动台介绍45-47
• 4.1.1 地震模拟振动台的种类45-47
• 4.1.2 试验用振动台介绍47
• 4.2 试验方案47-53
• 4.2.1 试验概况47-48
• 4.2.2 装置设计与安装48-49
• 4.2.3 测点布置49
• 4.2.4 试验工况及顺序49-51
• 4.2.5 试验用地震波介绍51-53
• 4.3 试验现象与结果分析53-57
• 4.3.1 试验现象53-54
• 4.3.2 试验结果汇总54-56
• 4.3.3 模型的动力特性分析56-57
• 4.4 试验结果曲线与规律分析57-68
• 4.4.1 粉土减震模型试验结果57-62
• 4.4.2 粉土+球减震模型试验结果62-66
• 4.4.3 铁球减震作用对比分析66-67
• 4.4.4 试验结果整体规律分析67-68
• 4.5 本章小结68-69
• 5 减震装置模拟方法探讨69-91
• 5.1 有限元分析理论69-75
• 5.1.1 有限单元法的基本分析步骤69-71
• 5.1.2 ANSYS有限元软件简介71-72
• 5.1.3 动力方程以及数值积分方法72-75
• 5.2 粉土减震试验结果与TLD对比分析75-81
• 5.2.1 TLD集中质量简化法75-76
• 5.2.2 文献算例模拟结果对比76-78
• 5.2.3 TLD模拟结果与试验结果对比78-81
• 5.3 基于集中质量简化法的改进模拟方法81-84
• 5.4 液化粉土晃动状态模拟84-89
• 5.4.1 流固耦合的基本概念84-85
• 5.4.2 耦合的实现与单元选取85-86
• 5.4.3 模型的建立86-87
• 5.4.4 液体晃动频率与振型87-88
• 5.4.5 液体晃动频率模拟值与理论值的比较88-89
• 5.5 本章小结89-91
• 6 结论与展望91-93
• 6.1 主要内容及结论91-92
• 6.2 今后研究展望92-93
• 致谢93-95
• 参考文献95-99
• 附录99
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文99

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本文编号：528271