巨型框架多功能減振結構體系地震作用下減振理論及其試驗研究.pdf

1、近年來，高層建筑和超高層建筑在我國發(fā)展極快。自1992年房地產業(yè)快速發(fā)展至今的十多年間，中國已經成為世界上高層建筑數(shù)量最多的國家，百米以上超高層建筑的數(shù)量僅次于美國。高層建筑的迅猛發(fā)展，促進了結構理論研究的進步。這些進步，一方面表現(xiàn)為新型結構體系的成熟與普及，巨型框架結構體系即為其中較突出的例子；另一方面，體現(xiàn)在結構控制理論越來越成熟，并在實踐中得到更多的推廣與應用。 結構控制理論是對傳統(tǒng)的結構抗風、抗震理論的大升級。該理論對于

2、結構安全，不再著眼于提高結構抗力，而是通過調整結構自身參數(shù)或附加減振裝置，來減輕和抑制結構在地震和強風下的振動，實現(xiàn)荷載效應的大幅降低，從而提高結構在風荷載與地震作用下的安全可靠性。結構控制理論雖然至今只有短短三十年的歷史，但是已經成為了結構領域的一個重要研究方向。結構控制措施可分為被動控制、主動控制、混合控制三類，其中被動控制較為成熟。具體而言，被動控制又包括基礎隔震、調諧質量減振、耗能減振等多種技術措施。這些減振技術措施能夠有效地減

3、小結構的動力響應，但是相應也存在一些適用局限性，或者存在改進的余地?；A隔震技術最為成熟，實際應用最多，但是通常只適用于10層以下建筑；而調諧質量減振技術(TMD)需要制造、安裝較大的附加質量塊，增加了造價和施工難度；耗能減振技術對于水平力作用下不是以剪切變形為主的結構減振效果有限。如果一種高層結構體系能夠綜合利用以上多種減振技術措施，發(fā)揮它們的長處，避開它們的缺點，必然可以獲得較為理想的減振效果。 本課題組將減振技術與結構方案

4、有機地結合起來，提出了一種具有多種減振功能的新型結構體系——巨型框架多功能減振結構體系。該體系從TMD系統(tǒng)的減振思路出發(fā)，結合巨型框架結構獨特的剛度與質量分布，在巨型框架結構的主、子框架連接處設置隔震層，使得各個子框架成為巨大的質量塊，與主框架構成大型調諧質量系統(tǒng)，同時，每個子框架部分又成為一個置于主框架上的基礎隔震系統(tǒng)，而隔震層本身也能向結構提供較大阻尼。如有必要，以剪切變形為主的子框架還可以有效利用各類耗能阻尼器。 對于該體

5、系，隔震層參數(shù)成為結構設計成功與否的關鍵。如果隔震層參數(shù)既能滿足調諧質量系統(tǒng)的優(yōu)化要求，達到利用子框架諧振抑制主框架振動的目的，同時又能滿足子框架部分基礎隔震的要求，減小子框架的振動，保證子框架的安全，則該結構體系就能實現(xiàn)多功能減振效果，大大減小結構在地震作用下的動力響應。 由于隔震層參數(shù)的選取必須同時滿足結構對于主框架位移和各個子框架相對位移的控制要求，因此巨型框架多功能減振結構體系的優(yōu)化問題為多目標函數(shù)優(yōu)化問題。本文提出了利

6、用有效域進行多目標函數(shù)優(yōu)化設計的方法：首先對不同的控制目標函數(shù)按照各自控制要求分別計算得到參數(shù)有效域，再對多個控制目標函數(shù)的參數(shù)有效域求交集，得到綜合參數(shù)有效域，則該有效域內的所有參數(shù)都能滿足全部振動控制要求。由該綜合參數(shù)有效域最大內切球中心點得到的參數(shù)解，不但能夠滿足控制要求，而且最大限度地控制住了參數(shù)在工程實現(xiàn)時的誤差所引起的優(yōu)化損失。 有效域的概念使得不同控制目標函數(shù)對參數(shù)的要求相互兼容。對于多目標函數(shù)的優(yōu)化，也可以采用加

7、權法或范數(shù)法將多目標函數(shù)轉化為單目標函數(shù)來求其最優(yōu)值。但這種轉化往往涉及到對不同目標函數(shù)賦權，不同的研究者給出的轉化公式各不相同，最終的優(yōu)化結果有時會有較大出入。此外，采用這種方法得到的參數(shù)最優(yōu)解對于權值較小的目標函數(shù)未必能夠滿足控制要求。 有效域方法由于對多個目標函數(shù)求參數(shù)域，計算量相應加大。但是由于巨型框架多功能減振結構體系可以將子框架視為剛體，系統(tǒng)的剛度、質量矩陣總維數(shù)相當有限，因此問題的規(guī)模實際上并不大。 本文給

8、出了多功能減振結構體系算例結構有效域方法的頻域優(yōu)化計算過程。由于對TMD系統(tǒng)的研究表明，隔震層阻尼比不需優(yōu)化，可以直接采用上限值，因此，系統(tǒng)待優(yōu)化參數(shù)只包含各個子框架的調諧比。算例計算中，對于主框架位移響應，在對不同控制要求所對應的有效域大小、形狀進行比較分析的基礎上，選擇設定控制要求為比相應普通巨型框架結構響應降低50％；對于子框架位移響應控制要求參考橡膠墊性能選取較合理值。經過網格計算，得到能夠滿足主框架和各子框架位移響應控制要求的

9、綜合參數(shù)有效域。取該綜合參數(shù)有效域最大內切球中心點為最優(yōu)參數(shù)，經時域驗算可知，優(yōu)化后的多功能減振結構體系位移響應基本滿足控制要求。 此外，由網格計算結果不難發(fā)現(xiàn)，巨型框架多功能減振結構體系具有良好的魯棒性：即在相當大參數(shù)范圍內，即使參數(shù)偏離最優(yōu)參數(shù)很遠，多功能減振結構體系主框架位移響應仍然小于普通巨型框架結構，未經優(yōu)化的系統(tǒng)仍能保證主框架結構的安全。 本文對地震作用下巨型框架多功能結構體系算例結構中能量流進行了追蹤，給出

10、了減振機理的能量解釋，并繪出了巨型框架多功能結構體系中能量分配圖。 本文進行了巨型框架多功能減振結構體系的振動臺試驗研究。為獲得巨型框架多功能減振結構體系減振效果，本試驗包括同條件制作、養(yǎng)護的兩個試件，一個試件為巨型框架多功能減振結構，另一個為普通巨型框架結構。試驗結果表明，巨型框架多功能減振結構置于隔震墊層上的子框架基本保持剛體運動；其子框架絕對加速度比普通巨型框架結構降低35％～90％，隔震效果良好；其主框架位移響應比后者降