新型CFRP拉索懸掛減震結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與試驗(yàn)研究.pdf

1、巨型框架懸掛建筑結(jié)構(gòu)作為一種現(xiàn)代化的高層建筑結(jié)構(gòu)體系，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑室內(nèi)和底部的大空間，充分利用高強(qiáng)材料的力學(xué)性能，達(dá)到結(jié)構(gòu)與功能，力與美的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)拉索作為一種新材料拉索，具有強(qiáng)度高、自重輕、耐腐蝕和耐疲勞等優(yōu)良性能。本文充分利用巨型框架懸掛建筑結(jié)構(gòu)和CFRP拉索的優(yōu)勢(shì)，提出了新型CFRP拉索懸掛減震結(jié)構(gòu)體系。該體系利用巨型框架作為主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行

2、樓面懸掛，剛度巨大的巨型框架箱型梁和空心柱不僅能夠滿足結(jié)構(gòu)受力要求還能帶來建筑設(shè)計(jì)的靈活性；采用性能優(yōu)越的CFRP拉索作為懸掛受力構(gòu)件；通過懸掛質(zhì)量和在懸掛主、次結(jié)構(gòu)之間合理設(shè)置耗能減震控制系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效減震。多段形式的新型CFRP拉索懸掛減震結(jié)構(gòu)體系比單段形式減震效果好，本文主要針對(duì)單段形式進(jìn)行了初步的計(jì)算分析與試驗(yàn)研究。
　　 首先，通過了解懸掛建筑結(jié)構(gòu)的起源、特點(diǎn)、分類、應(yīng)用和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及CFRP索(筋)在土木工

3、程中的應(yīng)用和研究，對(duì)新型CFRP拉索懸掛減震結(jié)構(gòu)的基本特征、受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并給出了結(jié)構(gòu)截面形式、高度、基礎(chǔ)、懸掛樓面等的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理假定的前提下，提出了新型CFRP拉索懸掛減震結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化分析模型。通過建立結(jié)構(gòu)在地震作用下的運(yùn)動(dòng)方程，對(duì)結(jié)構(gòu)的基本減震原理進(jìn)行了初步分析，分析表明，結(jié)構(gòu)的減震作用可以通過懸掛質(zhì)量、主次結(jié)構(gòu)連接剛度和阻尼三個(gè)因素來調(diào)節(jié)。
　　 其次，以地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為目的，設(shè)計(jì)并制

4、作了新型CFRP拉索懸掛減震結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＝Y(jié)構(gòu)的自振測(cè)試結(jié)果表明懸掛主、次結(jié)構(gòu)X方向的剛度均比Y方向大。通過地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)的抗震性能。結(jié)果表明，新型CFRP拉索懸掛減震結(jié)構(gòu)具有良好的減震性能，主體結(jié)構(gòu)項(xiàng)部位移可以減小16％左右，懸掛樓面加速度可以減小60％左右，且結(jié)構(gòu)X方向的減震性能稍優(yōu)于Y方向的減震性能。
　　 再次，借助有限元分析軟件SAP2000建立了新型CFRP拉索懸掛減震結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)值

5、模型，設(shè)置與試驗(yàn)相同的荷載工況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析。分析表明，結(jié)構(gòu)減震效果良好，主體結(jié)構(gòu)頂部位移可以減小18％左右，懸掛樓面加速度可以減小70％左右，基底剪力可以減小26％左右，有限元計(jì)算結(jié)果能夠較好的吻合試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行了有益補(bǔ)充。
　　 最后，通過數(shù)值計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)與懸掛質(zhì)量、主次結(jié)構(gòu)連接剛度和阻尼之間的關(guān)系進(jìn)行了參數(shù)研究。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的耗能減震主要依靠懸掛質(zhì)量和連接阻尼實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)可以

6、達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制的目的。以主體結(jié)構(gòu)頂部位移、基底剪力及二者的復(fù)合函數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單約束(即主次結(jié)構(gòu)質(zhì)量比一定的情況)條件下的動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)理論值范圍較大，在最優(yōu)參數(shù)的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)減震效果不但好而且穩(wěn)定。在對(duì)影響實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要因素和約束條件進(jìn)行簡(jiǎn)要分析的基礎(chǔ)上，提出了簡(jiǎn)單有效的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置方法與步驟。此外，對(duì)結(jié)構(gòu)若干問題的討論表明，與普通巨型框架結(jié)構(gòu)相比，新型CFRP拉索懸掛減震結(jié)構(gòu)能

7、夠有效的減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，結(jié)構(gòu)頂部加速度可以減小46％左右，結(jié)構(gòu)頂部位移可以減小61％左右；采用CFRP拉索替換鋼拉索后，對(duì)結(jié)構(gòu)減震性能幾乎沒有影響；減震控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化對(duì)結(jié)構(gòu)減震效果的影響不可忽略；結(jié)構(gòu)的減震效果隨著懸掛段數(shù)的增加而增大，超高層建筑比高層建筑更能體現(xiàn)新型CFRP拉索懸掛減震結(jié)構(gòu)優(yōu)越的減震性能。
　　 計(jì)算分析和試驗(yàn)研究表明，新型CFRP拉索懸掛減震結(jié)構(gòu)具有良好的減震性能，是一種有值得推廣應(yīng)用的高層建筑抗震結(jié)構(gòu)體