高層建筑懸掛結構減振理論及試驗研究.pdf

1、隨著城市化進程的加快以及人們對地震災害和結構抗震設計的持續(xù)關注，為人口高度集聚的高層建筑研究創(chuàng)新結構體系具有重要意義，而懸掛建筑結構正是一類有著潛在應用前景的新型高層結構體系。一方面它能充分利用高強材料性能，并形成建筑室內和底部大空間，解決建筑功能與結構構造之間的矛盾，另一方面通過合理設計它有利于抗風和抗震。因此，懸掛結構能夠實現(xiàn)建筑物的堅固、實用和藝術美三方面的統(tǒng)一，產生良好的社會和經濟效益。
　　 高層建筑懸掛減振結構體系將

2、結構控制理論和技術與高層建筑懸掛結構有機結合，可為高層和超高層建筑取得更為優(yōu)良的抗震減振結構性能，并將為結構控制和減振理論拓展新的思路。為此，論文對高層建筑懸掛結構減振理論中的若干關鍵問題進行了較為深入的探討，并通過模擬振動臺試驗來驗證在6條實際地震波(包括3條遠斷層地震波和3條近斷層地震波)輸入下模型結構減振控制效果的有效性，詳細內容總結如下：
　　 首先，根據懸掛建筑主次結構特點，將其簡化為大質量比單自由度單TMD系統(tǒng)(Si

3、ngle DegreeOf Freedom，Single Tuned Mass Damper with Large-Mass-Ratio，SDOF-STMD-LMR)；分別將地震和風荷載簡化為簡諧地面加速度激勵和外加荷載激勵作用于該系統(tǒng)，得到相應的運動方程；并與小質量比單自由度單TMD系統(tǒng)(SDOF-STMD with Small-Mass-Ratio，SDOF-STMD-SMR)對比，分析得到了系統(tǒng)參數對位移響應、加速度響應及減振效果

4、影響規(guī)律；基于SDOF-STMD-LMR系統(tǒng)，提出了將減振效果分解為減質量效應和減振效應兩個指標。研究表明減質量效應提高了地面加速度激勵下系統(tǒng)的主結構位移的減振效果，但是降低了外加荷載激勵下系統(tǒng)的主結構加速度的減振效果。
　　 其次，根據次結構懸掛樓面剪切型振動特性，提出了剪切型懸掛減振結構體系；基于歐拉-伯努利梁理論和層剪切模型，應用拉格朗日方程推導了單段核筒懸掛減振控制結構的運動方程。在此基礎上應用復模態(tài)疊加法對結構的響應進

5、行了頻域分析，以主體核筒頂點位移和懸掛樓面層間位移響應為優(yōu)化目標，對懸掛樓面的側移剛度、阻尼器的剛度和阻尼系數進行優(yōu)化?；谏鲜龇治?，首次提出了懸掛結構損傷控制的概念，建議將主結構頂點位移或基底剪力和懸掛樓面層間位移作為結構損傷控制指標；并對剪切型懸掛減振結構體系進行改進，提出了一種可有效控制結構損傷的新型懸掛擺減振結構體系及新結構體系的關鍵部件“懸掛柔性層”，給出了可用于動力分析的子結構模態(tài)綜合法。
　　 再次，根據已建懸掛建

6、筑The IED Building，提出了將其作為單段懸掛結構性能分析的基準結構；以此為基礎結合不同的控制策略，構建了本文研究的剪切型懸掛減振結構和懸掛擺減振結構有限元模型；分別輸入近斷層和遠斷層兩類地震波進行了考慮重力效應的大變形時程分析，研究表明：存在最優(yōu)阻尼器阻尼系數使得主結構響應最?。患羟行蛻覓旖Y構阻尼器的設置可根據懸掛樓面層間剛度選擇均勻分布、三角形分布和模態(tài)分布；可調整懸掛擺減振結構懸掛樓面的側向剛度提高懸掛樓段整體性，使得

7、層間位移主要集中于柔性層，而懸掛樓段的層間位移更??；近斷層地震波作用下懸掛減振結構動力響應明顯增大。
　　 接著，首次進行了設置粘滯流體阻尼器的懸掛減振結構模擬振動臺試驗用于評估減振結構體系的有效性，且連接懸掛樓面和主結構的粘滯流體阻尼器為線性阻尼。對比了主次結構阻尼器連接、剛性連接和無連接時懸掛結構的動力特性和地震響應的減振控制效果；同時對比了阻尼器位置和地震動特性對剪切型懸掛減振結構和懸掛擺減振結構減振控制效果的影響，及懸掛

8、樓面?zhèn)认騽偠葘覓鞌[減振結構的影響；試驗結果表明采用了設置粘滯流體阻尼器后能夠明顯降低懸掛結構地震響應，合理設置阻尼器的位置及選擇地震動輸入能夠取得較好的控制效果。
　　 最后，提出了多段懸掛擺減振結構體系，并建議了一種適用于超高層建筑結構、且不需要額外占用結構高度的柔性層設計方案；給出了多段懸掛擺減振結構的計算模型和運動方程，采用復模態(tài)疊加法推導結構隨機動力響應表達式；基于上述公式，分別輸入隨機地震動激勵和脈動風荷載激勵，編制