高层建筑悬挂结构减振理论及试验研究

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随着城市化进程的加快以及人们对地震灾害和结构抗震设计的持续关注,为人口高度集聚的高层建筑研究创新结构体系具有重要意义,而悬挂建筑结构正是一类有着潜在应用前景的新型高层结构体系。一方面它能充分利用高强材料性能,并形成建筑室内和底部大空间,解决建筑功能与结构构造之间的矛盾,另一方面通过合理设计它有利于抗风和抗震。因此,悬挂结构能够实现建筑物的坚固、实用和艺术美三方面的统一,产生良好的社会和经济效益。   高层建筑悬挂减振结构体系将结构控制理论和技术与高层建筑悬挂结构有机结合,可为高层和超高层建筑取得更为优良的抗震减振结构性能,并将为结构控制和减振理论拓展新的思路。为此,论文对高层建筑悬挂结构减振理论中的若干关键问题进行了较为深入的探讨,并通过模拟振动台试验来验证在6条实际地震波(包括3条远断层地震波和3条近断层地震波)输入下模型结构减振控制效果的有效性,详细内容总结如下:   首先,根据悬挂建筑主次结构特点,将其简化为大质量比单自由度单TMD系统(Single DegreeOf Freedom,Single Tuned Mass Damper with Large-Mass-Ratio,SDOF-STMD-LMR);分别将地震和风荷载简化为简谐地面加速度激励和外加荷载激励作用于该系统,得到相应的运动方程;并与小质量比单自由度单TMD系统(SDOF-STMD with Small-Mass-Ratio,SDOF-STMD-SMR)对比,分析得到了系统参数对位移响应、加速度响应及减振效果影响规律;基于SDOF-STMD-LMR系统,提出了将减振效果分解为减质量效应和减振效应两个指标。研究表明减质量效应提高了地面加速度激励下系统的主结构位移的减振效果,但是降低了外加荷载激励下系统的主结构加速度的减振效果。   其次,根据次结构悬挂楼面剪切型振动特性,提出了剪切型悬挂减振结构体系;基于欧拉-伯努利梁理论和层剪切模型,应用拉格朗日方程推导了单段核筒悬挂减振控制结构的运动方程。在此基础上应用复模态叠加法对结构的响应进行了频域分析,以主体核筒顶点位移和悬挂楼面层间位移响应为优化目标,对悬挂楼面的侧移刚度、阻尼器的刚度和阻尼系数进行优化。基于上述分析,首次提出了悬挂结构损伤控制的概念,建议将主结构顶点位移或基底剪力和悬挂楼面层间位移作为结构损伤控制指标;并对剪切型悬挂减振结构体系进行改进,提出了一种可有效控制结构损伤的新型悬挂摆减振结构体系及新结构体系的关键部件“悬挂柔性层”,给出了可用于动力分析的子结构模态综合法。   再次,根据已建悬挂建筑The IED Building,提出了将其作为单段悬挂结构性能分析的基准结构;以此为基础结合不同的控制策略,构建了本文研究的剪切型悬挂减振结构和悬挂摆减振结构有限元模型;分别输入近断层和远断层两类地震波进行了考虑重力效应的大变形时程分析,研究表明:存在最优阻尼器阻尼系数使得主结构响应最小;剪切型悬挂结构阻尼器的设置可根据悬挂楼面层间刚度选择均匀分布、三角形分布和模态分布;可调整悬挂摆减振结构悬挂楼面的侧向刚度提高悬挂楼段整体性,使得层间位移主要集中于柔性层,而悬挂楼段的层间位移更小;近断层地震波作用下悬挂减振结构动力响应明显增大。   接着,首次进行了设置粘滞流体阻尼器的悬挂减振结构模拟振动台试验用于评估减振结构体系的有效性,且连接悬挂楼面和主结构的粘滞流体阻尼器为线性阻尼。对比了主次结构阻尼器连接、刚性连接和无连接时悬挂结构的动力特性和地震响应的减振控制效果;同时对比了阻尼器位置和地震动特性对剪切型悬挂减振结构和悬挂摆减振结构减振控制效果的影响,及悬挂楼面侧向刚度对悬挂摆减振结构的影响;试验结果表明采用了设置粘滞流体阻尼器后能够明显降低悬挂结构地震响应,合理设置阻尼器的位置及选择地震动输入能够取得较好的控制效果。   最后,提出了多段悬挂摆减振结构体系,并建议了一种适用于超高层建筑结构、且不需要额外占用结构高度的柔性层设计方案;给出了多段悬挂摆减振结构的计算模型和运动方程,采用复模态叠加法推导结构随机动力响应表达式;基于上述公式,分别输入随机地震动激励和脉动风荷载激励,编制相应程序,分析了阻尼器阻尼参数和刚度及柔性层设置位置等参数对主结构顶点位移和悬挂柔性层层间位移的影响;结果表明多段悬挂摆减振结构能有效降低主结构顶点位移,且悬挂楼面内层间位移相对较小,优先柔性悬挂上部楼段比下部楼段更有效降低结构响应,风荷载作用下最优参数同样适用于地震响应控制。
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