巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)作用下的綜合優(yōu)化方法研究.pdf

1、隨著建筑物高度的增加，結(jié)構(gòu)所承受的水平荷載(主要包括地震作用和風(fēng)荷載)迅速增大，為了滿足結(jié)構(gòu)安全度和舒適度的要求，如果按照傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法，對(duì)于高層和超高層建筑，往往需要付出很大的代價(jià)。結(jié)構(gòu)控制方法通過(guò)采取適當(dāng)?shù)南軠p振措施，減小結(jié)構(gòu)在地震作用和風(fēng)荷載兩種激勵(lì)作用下的響應(yīng)，可以克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺陷。結(jié)構(gòu)控制可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、混合控制和半主動(dòng)控制等，其中被動(dòng)控制的研究和應(yīng)用最為成熟。巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)體系將結(jié)構(gòu)方案和減振措

2、施巧妙地結(jié)合起來(lái)，具有調(diào)頻質(zhì)量減振、基礎(chǔ)隔振和阻尼器耗能減振等多種減振功能，減振效果非常顯著，為高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)控制和減振理論開拓了新的思路。 在本課題組近年來(lái)的研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論和有限元方法，通過(guò)頻域和時(shí)域分析，本文研究了巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)在地震作用和風(fēng)荷載兩種激勵(lì)作用下的響應(yīng)規(guī)律和綜合優(yōu)化方法。 深入研究了巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)這兩種激勵(lì)作用下的減振規(guī)律，其中，對(duì)于風(fēng)荷載作用下的減

3、振規(guī)律的研究為首次進(jìn)行。雖然地震和風(fēng)這兩種激勵(lì)的頻譜特性和作用方式有顯著的不同，但是在這兩種激勵(lì)的作用下，巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)減振系數(shù)的變化規(guī)律有許多共性，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在這兩種激勵(lì)作用下都能達(dá)到較好的減振效果。巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)的減振系數(shù)的主要變化規(guī)律為：①主框架頂點(diǎn)側(cè)移減振系數(shù)隨調(diào)諧比的增大而先減小后增大；隨阻尼比的增大而先減小后略有增大。減振系數(shù)曲面變化比較平緩，存在一個(gè)明顯的最優(yōu)值。與普通TMD系統(tǒng)相比，巨型框架

4、多功能減振結(jié)構(gòu)減振效果更好，減振系數(shù)最優(yōu)值對(duì)應(yīng)的最優(yōu)調(diào)諧比遠(yuǎn)小于1，最優(yōu)阻尼比較大。②隨著阻尼比的增大，主、次框架相對(duì)位移減??；而隨著調(diào)諧比的增大，主、次框架相對(duì)位移略有減小。⑨風(fēng)荷載作用下，次框架的加速度減振系數(shù)普遍較小。隨著調(diào)諧比的增大，次框架的加速度略有增大；隨著阻尼比的增大，次框架加速度減小。 采用頻域和時(shí)域分析方法，首次深入研究了隔振次框架的個(gè)數(shù)和動(dòng)力參數(shù)對(duì)巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)作用下的減振效果的影響，得出了

5、如下重要規(guī)律：①對(duì)于同一種激勵(lì)，當(dāng)巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)設(shè)置數(shù)目不同的隔振次框架時(shí)，減振系數(shù)的變化規(guī)律相似。設(shè)置多個(gè)隔振次框架時(shí)的減振效果比設(shè)置1個(gè)隔振次框架時(shí)的減振效果好。②當(dāng)巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)設(shè)置1個(gè)隔振次框架時(shí)，應(yīng)將其調(diào)諧到結(jié)構(gòu)第一頻率，用來(lái)削減結(jié)構(gòu)第一頻率對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。隔振次框架的位置不同，削減的效果不同。隔振次框架設(shè)置于結(jié)構(gòu)頂部時(shí)減振效果最好，不同位置對(duì)應(yīng)的最優(yōu)調(diào)諧比的規(guī)律是從上到下逐步增大。③當(dāng)巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)設(shè)置多

6、個(gè)隔振次框架時(shí)，本文從結(jié)構(gòu)層數(shù)、豎向剛度和質(zhì)量的分布以及輸入激勵(lì)的特性等多方面分析后認(rèn)為，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)第一頻率對(duì)應(yīng)的響應(yīng)是總響應(yīng)的主要成分，所以這些隔振次框架應(yīng)調(diào)諧到結(jié)構(gòu)第一頻率，以達(dá)到最優(yōu)的減振效果。 采用多目標(biāo)的有效域優(yōu)化方法，首次對(duì)影響巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)兩種激勵(lì)作用下減振效果的重要參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化分析，得出如下結(jié)論：①在5個(gè)優(yōu)化目標(biāo)中(地震作用下：主框架頂點(diǎn)側(cè)移，主、次框架相對(duì)位移：風(fēng)荷載作用下：主框架頂點(diǎn)側(cè)移，

7、主、次框架相對(duì)位移，次框架加速度)，地震和風(fēng)荷載作用下的主框架頂點(diǎn)側(cè)移是應(yīng)該優(yōu)先考慮的指標(biāo)；地震和風(fēng)荷載作用下的主、次框架相對(duì)位移應(yīng)滿足限值的要求：而風(fēng)荷載作用下的次框架加速度值普遍較小，在一般情況下容易滿足限值要求，所以在方案分析階段，也可以暫不將它列為優(yōu)化目標(biāo)。②在調(diào)諧比和阻尼比這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)中，調(diào)諧比是更為重要的參數(shù)，選擇最優(yōu)調(diào)諧比是巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化的重要內(nèi)容。 采用有限元方法，對(duì)巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)在地震

8、作用和風(fēng)荷載兩種激勵(lì)作用下的減振效果進(jìn)行分析和驗(yàn)證，結(jié)果表明：①對(duì)于主框架頂點(diǎn)側(cè)移和主、次框架相對(duì)位移以及次框架加速度減振系數(shù)，頻域分析和時(shí)域分析的結(jié)果相互符合；②設(shè)置多個(gè)隔振次框架，當(dāng)次框架參數(shù)同步變化時(shí)，頂部次框架的相對(duì)位移和加速度最大，因此，在方案分析階段，可以僅將頂部次框架的相對(duì)位移和加速度作為優(yōu)化目標(biāo)，其余隔振次框架的相對(duì)位移和加速度在后續(xù)分析中驗(yàn)算即可；③設(shè)置多個(gè)隔振次框架，當(dāng)阻尼比一定，調(diào)諧比間隔變化(從上到下逐步增大)時(shí)