摩擦擺支座單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震機理及抗震設(shè)計研究.pdf

1、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為一種典型的大跨空間結(jié)構(gòu)，具有跨度大、受力合理、造型優(yōu)美等特點，展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景，是許多地標(biāo)性建筑采用的建筑形式。由于此種結(jié)構(gòu)政治、經(jīng)濟意義突出，且往往是人口密集場所，所以對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震機理及抗震性能的研究工作顯得尤為重要。目前，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的研究成果主要集中在穩(wěn)定性、動力性能及失效機理分析等方面，有關(guān)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)振動控制的研究開展較少。
　　摩擦擺支座（FPB）作為一種高效且完全被動的摩擦滑移隔震裝置，應(yīng)用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)時，會

2、引起一系列急需解決的關(guān)鍵問題，如網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)應(yīng)用FPB的可行性分析、結(jié)構(gòu)減震效果研究、FPB選取原則、結(jié)構(gòu)參數(shù)影響程度、支座設(shè)計以及FPB安裝設(shè)計等問題，本文正是將FPB精細(xì)化有限元模型應(yīng)用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，并針對上述問題對設(shè)置FPB網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的減震機理及效果展開系統(tǒng)的研究。首先，分析了落地與帶下部支承FPB網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震機理與抗震性能，證明FPB結(jié)構(gòu)具有顯著的減震效果，并給出了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)選取FPB的基本原則。其次，針對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，基于傳統(tǒng)摩擦擺支座，設(shè)

3、計了三種新型摩擦擺減震支座，通過理論和數(shù)值分析探討其減震機理，并通過數(shù)值算例驗證了三種支座良好的減震性能；最后，從支座初始設(shè)計角度、布置方式以及安裝位置等三個方面對FPB的安裝設(shè)計進行了研究，給出了FPB網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計建議，為FPB在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　1.摩擦擺支座減震機理及有限元建模
　　從隔震和耗能減震兩方面分析了摩擦擺支座的減震機理，給出了摩擦擺支座結(jié)構(gòu)的運動方程，建立了精細(xì)化

4、的摩擦擺支座有限元模型，并通過已有試驗結(jié)果驗證了建模方法的合理性和正確性。
　　2.摩擦擺支座網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震性能研究
　　將精細(xì)化摩擦擺支座有限元模型應(yīng)用到落地單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，從內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性三方面分析了摩擦擺支座對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靜力性能的影響，分析表明摩擦擺支座網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形增加，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能減弱，但加強最外環(huán)環(huán)桿能有效地減弱摩擦擺支座的不利影響。另外，從地震波和摩擦擺支座參數(shù)兩方面，研究了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震性能的變化規(guī)律，

5、給出地震波作用對摩擦擺支座網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震效果的影響規(guī)律，地震動強度越大，F(xiàn)PB結(jié)構(gòu)減震效果越明顯；隨著摩擦擺支座摩擦系數(shù)的增加，F(xiàn)PB結(jié)構(gòu)減震效果先增強后減弱；FPB曲率半徑越大，減震效果越好。通過對不同矢跨比、屋面荷載和跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震效果的研究，驗證了不同結(jié)構(gòu)應(yīng)用FPB作為減震設(shè)備的可行性。
　　3.帶下部支承的摩擦擺支座網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震性能研究
　　將FPB安裝于柱頂與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)之間，分析柱支承FPB網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形以及穩(wěn)定

6、性。考慮了地震波、摩擦擺支座及上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)參數(shù)對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，得出的不同參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)動力性能的影響規(guī)律與落地網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相似。此外，研究了柱高度和截面半徑變化時FPB網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的減震效果，研究顯示，F(xiàn)PB能延長結(jié)構(gòu)的自振周期，避免共振現(xiàn)象，進而有效地減弱結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。
　　4.新型摩擦擺支座研究
　　基于摩擦系數(shù)影響規(guī)律，設(shè)計了一種變摩擦-摩擦擺支座（VF-FPB），通過理論和數(shù)值方法對算例進行分析，討論了此種支座的

7、減震機理和減震效果，結(jié)果顯示，VF-FPB具有良好的自適應(yīng)特性，減震效果比傳統(tǒng)FPB更顯著。針對大跨度空間結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種球-柱面摩擦支座（SCSFB），并通過理論和數(shù)值分析研究了應(yīng)用此種支座網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的減震效果，研究表明，與傳統(tǒng)FPB結(jié)構(gòu)相比，SCSFB能更有效地減弱網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。在SCSFB基礎(chǔ)上，結(jié)合變摩擦思想，提出了一種新型變摩擦-球柱面摩擦支座（VF-SCFB），通過理論和數(shù)值分析驗證了此種支座具有良好的減震性能，且減震效

8、果優(yōu)于SCSFB。
　　5.摩擦擺支座網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究
　　給出了應(yīng)用FPB單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計建議。在此基礎(chǔ)上，研究了FPB布置方式和安裝位置對FPB網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震效果的影響規(guī)律。首先，提出了FPB初始設(shè)計角度的概念，當(dāng)初始設(shè)計角度小于15度時，F(xiàn)PB不僅能夠提高網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靜力性能，而且不影響結(jié)構(gòu)的減震效果。其次，設(shè)計了三種不同布置方式，并研究了三種不同布置方式對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，得出抗震設(shè)計時FPB布置方式一較