位移型和速度型阻尼器減震對比研究及優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、由于消能減震結(jié)構(gòu)具有減震機(jī)理明確、減震效果顯著且安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，易于在工程中推廣應(yīng)用，因此，三十多年來，國內(nèi)外學(xué)者對各種消能裝置的試驗(yàn)、理論分析和控制設(shè)計方法進(jìn)行了大量研究，并取得了諸多成果，消能減震技術(shù)在新建工程和震損建筑減震、加固中的應(yīng)用形式和范圍也越趨廣泛。目前，我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)中已經(jīng)增加了有關(guān)消能減震的內(nèi)容，位移型和速度型兩類被動阻尼器是其中需要重點(diǎn)研究和推廣的技術(shù)。對于形式多樣、要求各異的工

2、程結(jié)構(gòu)，如何在推廣應(yīng)用消能技術(shù)時，選擇適合的阻尼器類型并進(jìn)行阻尼器的合理優(yōu)化設(shè)計將關(guān)系到這一技術(shù)的發(fā)展前景，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，值得進(jìn)一步探討研究。在此背景下，本文主要進(jìn)行了以下幾個方面的工作： (1)從時程分析的主體—結(jié)構(gòu)著手，提出根據(jù)不同結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行阻尼器選型的方法。鑒于層彎剪型模型在彈塑性分析中存在的問題，對剛度矩陣的修正進(jìn)行了合理地近似處理。根據(jù)動力等效準(zhǔn)則設(shè)計了與層彎剪型模型第一頻率和振型相同且各層質(zhì)量也相同的剪切型結(jié)

3、構(gòu)，編制了不同計算模型結(jié)構(gòu)的彈塑性時程分析程序；在為結(jié)構(gòu)提供相同附加阻尼比的前提下，對彎剪型和剪切型兩種不同形式結(jié)構(gòu)在位移型和速度型阻尼器控制下的非線性地震反應(yīng)分別進(jìn)行分析比較。數(shù)值分析結(jié)果表明，對于不同模型的結(jié)構(gòu)，達(dá)到相同抗震性能目標(biāo)下所需位移型阻尼器和速度型阻尼器的數(shù)量不同，且兩種類型被動阻尼器的減震效果也不同，建議在進(jìn)行消能減震技術(shù)應(yīng)用時，可以根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)分析模型形式以及結(jié)構(gòu)空間狀況選用適當(dāng)類型的被動阻尼器進(jìn)行振動控制，給出可供

4、工程參考的初步結(jié)論。 (2)提出一種新型的阻尼器位置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可以綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性和舒適度的要求。在阻尼器數(shù)量一定的前提下，利用遺傳算法對位移型阻尼器進(jìn)行位置優(yōu)化，并對目標(biāo)函數(shù)中不同的加權(quán)系數(shù)組合進(jìn)行了初步探討。在四類不同場地條件下，對低、中、高層三種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻尼器位置優(yōu)化，并對阻尼器最優(yōu)布置下的結(jié)構(gòu)時程反應(yīng)進(jìn)行分析對比。數(shù)值分析表明，根據(jù)新型優(yōu)化函數(shù)得到的阻尼器優(yōu)化布置可以有效地控制結(jié)構(gòu)反應(yīng)；通過比較不同加權(quán)系數(shù)組合

5、情況下的阻尼器最優(yōu)布置方案，給出有關(guān)位移型阻尼器優(yōu)化布置方面的幾點(diǎn)建議以供設(shè)計、應(yīng)用參考。 (3)提出了阻尼器位置優(yōu)化的兩個評價指標(biāo)。在阻尼器數(shù)量一定的前提下，以遺傳算法為手段，利用新型位置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在四類場地條件下，對短、中、長周期三種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了位移型和速度型阻尼器的位置優(yōu)化。對兩種類型阻尼器最優(yōu)布置下的結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，以本文提出的兩個評價指標(biāo)為性能指標(biāo)，將不同消能結(jié)構(gòu)的振動控制效果進(jìn)行量化比較。數(shù)值分

6、析表明，不同類型阻尼器在不同結(jié)構(gòu)和場地條件下進(jìn)行位置優(yōu)化時，目標(biāo)函數(shù)中的最優(yōu)系數(shù)組合取值各有特點(diǎn)，為工程應(yīng)用中針對不同類型阻尼器選取適當(dāng)形式的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)提供了一定的參考。 (4)將基于位移的抗震設(shè)計方法應(yīng)用于新建或震損建筑減震、加固中阻尼器的設(shè)計。針對根據(jù)已有多自由度體系目標(biāo)位移公式計算高層、超高層結(jié)構(gòu)的不合理性，提出了一種修正的結(jié)構(gòu)目標(biāo)位移計算公式，建立了目標(biāo)位移和結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)之間的關(guān)系。以一定設(shè)防等級下結(jié)構(gòu)控制部位的目標(biāo)位

7、移作為已知條件，而將消能減震裝置作為未知條件，根據(jù)兩種類型阻尼器的等效剛度和等效阻尼比公式，通過等效單自由度體系的逆向計算，進(jìn)行滿足相同結(jié)構(gòu)預(yù)期性能目標(biāo)下的不同類型阻尼器參數(shù)設(shè)計。以一高層鋼結(jié)構(gòu)建筑為例的數(shù)值分析表明，采用此方法設(shè)計的阻尼器能夠滿足結(jié)構(gòu)預(yù)期的性能目標(biāo)，設(shè)計方法比較簡便實(shí)用。 (5)結(jié)合國際上通用的結(jié)構(gòu)振動控制性能評價平臺—Benchmark三種結(jié)構(gòu)模型，利用非線性結(jié)構(gòu)振動控制Benchmark評價性能指標(biāo)，對位移