消能減震結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計理論與方法研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)被動控制是一項新興技術(shù)，它通過給結(jié)構(gòu)提供附加阻尼來改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。消能結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念同于傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法。安裝有阻尼器的結(jié)構(gòu)并不主要依賴于塑性鉸來耗散地震能量，結(jié)構(gòu)的能量耗散主要集中于附加阻尼器。所以主體結(jié)構(gòu)的損傷減小了，結(jié)構(gòu)的各項功能得以保存。基于性能的抗震設(shè)計思想是使設(shè)計的結(jié)構(gòu)在規(guī)定的地震動作用下能夠承受預(yù)定的損傷水平。這種設(shè)計理念受到地震工程界的廣泛認同，并有可能成為下一代抗震設(shè)計規(guī)范的指導(dǎo)思想。目前國外學(xué)者對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基

2、于性能的抗震設(shè)計理論和方法進行了多方面的基礎(chǔ)性研究，而針對被動消能減震結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計理論與方法研究還比較少。本文圍繞消能減震結(jié)構(gòu)基于性能設(shè)計與分析中存在的問題，開展了以下研究工作：
　　 (1)附加消能裝置單自由度結(jié)構(gòu)簡化分析方法給出了獲得附加阻尼器結(jié)構(gòu)真實最大加速度的表達式。結(jié)構(gòu)的附加阻尼比計算和有效周期計算是分析消能結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵計算點，本文針對線彈性結(jié)構(gòu)和非彈性結(jié)構(gòu)分別給出了計算各種消能裝置的附加阻尼比和消能結(jié)構(gòu)有效周

3、期的表達式，并給出了使用能力譜法評估各種消能結(jié)構(gòu)在大震作用下性能的方法。此外，還探討了與阻尼器相連的支撐剛度對阻尼器減震效果的影響和速度相關(guān)型分析模型的等效變換問題。這些研究為消能結(jié)構(gòu)的簡化分析提供了理論基礎(chǔ)。
　　 (2)附加非線性流體阻尼器結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計探索了附加非線性流體阻尼器結(jié)構(gòu)的抗震簡化設(shè)計和分析方法。介紹了非線性粘滯阻尼器的力學(xué)特性，井與線性流體阻尼器進行了比較.為了使用簡化方法設(shè)計附加非線性流體阻尼器結(jié)構(gòu)，引入了非

4、線性流體阻尼器附加阻尼比的計算公式及用于計算附加非線性阻尼器結(jié)構(gòu)在最大加速度階段的荷載組合系數(shù)。為了在工程中快速有效地設(shè)計此類結(jié)構(gòu)，基于規(guī)范反應(yīng)譜提出了附加非線性流體阻尼器結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計流程，并與精確的時程分析結(jié)果進行了比較。最后給出了求解附加非線性粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬算法。
　　 (3)肘型斜撐阻尼器體系的理論分析與簡化設(shè)計分析方法介紹了各種阻尼器的安裝方式，特別詳述了傳統(tǒng)的Coustantinou肘型斜撐阻尼體系理論，指

5、出了這阻尼器安裝方式的優(yōu)缺點。接著舟紹了改進的肘型斜撐阻尼器體系，強調(diào)了這種阻尼器的安裝方式不僅能顯著放大阻尼器出力，而且能顯著減輕與其相連粱柱的負擔。然后推導(dǎo)了這種阻尼器改進安裝方式的力和位移放大系數(shù)表達式。最后基于建筑抗震設(shè)計規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜給出了附加改進肘型斜撐阻尼墨結(jié)構(gòu)實用設(shè)計方法，并比較了阻尼器對角斜撐安裝方式和改進肘型斜撐安裝方式對結(jié)構(gòu)減震效果的影響。
　　 (4)基于塑性分析近似構(gòu)建附加消能裝置框架結(jié)構(gòu)推覆曲線基于塑

6、性分析理論，首先針對抗彎框架介紹了確定其整體屈服受剪強度和屈服位移的方法，這樣可阻無需借助結(jié)構(gòu)分析軟件就可近似獲得結(jié)構(gòu)的能力曲線，然后研究附加粘彈性阻尼囂框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)粘彈性阻尼器提供給純框架結(jié)構(gòu)的附加剛度與純框架結(jié)構(gòu)整體剛度的關(guān)系來確定附加粘彈性阻尼器框架結(jié)構(gòu)的理想雙線性推覆曲線。最后提出了附加金屬屈服阻尼器框架結(jié)構(gòu)推覆曲線的構(gòu)建方法。
　　 (5)附加粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)基于改進能力譜法的抗震設(shè)計為了實現(xiàn)被動消能結(jié)構(gòu)基于性能的抗震

7、設(shè)計，將改進的能力譜法應(yīng)用于附加粘滯阻尼器單自由度體系的設(shè)計，改進能力譜法使用性能點軌跡與能力曲線的交點來確定結(jié)構(gòu)的性能點，這可以避免傳統(tǒng)的能力譜法求解性能點的選代計算。采用此法，單自由度體系滿足給定性能目標的附加轱滯阻尼量可以通過簡單公式得到。使用10條真實地震動記錄對按該法設(shè)計的附加粘滯阻尼體系進行了非線性動力分析，以檢驗基于能力譜法設(shè)計滿足給定性能目標消能結(jié)構(gòu)的精度。然后將該法推廣到設(shè)計多自由體系，為了考慮高階振型效應(yīng)對地震反應(yīng)的

8、影響，使用三種不同的側(cè)向荷載模式來獲得結(jié)構(gòu)的能力曲線。結(jié)構(gòu)滿足給定性能目標所需的附加阻尼比按阻尼器阻尼系數(shù)的三種分配方式分配于各個樓層。最后對按三種分配模式設(shè)計的消能結(jié)構(gòu)進行了非線性時程分析，以驗證基于改進能力譜法設(shè)計多層消能結(jié)構(gòu)的有效性。
　　 (6)消能減震結(jié)構(gòu)性能評估方法介紹丁既存建筑的四種抗震性能評估方法，即線性靜力分析、線性動力分析、非線性靜力分析和非線性動力分析方法。然后結(jié)合中國建筑抗震設(shè)計規(guī)范反應(yīng)譜，將這四種分析方