高層建筑懸掛結(jié)構(gòu)減振理論及試驗研究.pdf

1、隨著城市化進程的加快以及人們對地震災(zāi)害和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的持續(xù)關(guān)注，為人口高度集聚的高層建筑研究創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系具有重要意義，而懸掛建筑結(jié)構(gòu)正是一類有著潛在應(yīng)用前景的新型高層結(jié)構(gòu)體系。一方面它能充分利用高強材料性能，并形成建筑室內(nèi)和底部大空間，解決建筑功能與結(jié)構(gòu)構(gòu)造之間的矛盾，另一方面通過合理設(shè)計它有利于抗風(fēng)和抗震。因此，懸掛結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)建筑物的堅固、實用和藝術(shù)美三方面的統(tǒng)一，產(chǎn)生良好的社會和經(jīng)濟效益。
　　 高層建筑懸掛減振結(jié)構(gòu)體系將

2、結(jié)構(gòu)控制理論和技術(shù)與高層建筑懸掛結(jié)構(gòu)有機結(jié)合，可為高層和超高層建筑取得更為優(yōu)良的抗震減振結(jié)構(gòu)性能，并將為結(jié)構(gòu)控制和減振理論拓展新的思路。為此，論文對高層建筑懸掛結(jié)構(gòu)減振理論中的若干關(guān)鍵問題進行了較為深入的探討，并通過模擬振動臺試驗來驗證在6條實際地震波(包括3條遠斷層地震波和3條近斷層地震波)輸入下模型結(jié)構(gòu)減振控制效果的有效性，詳細內(nèi)容總結(jié)如下：
　　 首先，根據(jù)懸掛建筑主次結(jié)構(gòu)特點，將其簡化為大質(zhì)量比單自由度單TMD系統(tǒng)(Si

3、ngle DegreeOf Freedom，Single Tuned Mass Damper with Large-Mass-Ratio，SDOF-STMD-LMR)；分別將地震和風(fēng)荷載簡化為簡諧地面加速度激勵和外加荷載激勵作用于該系統(tǒng)，得到相應(yīng)的運動方程；并與小質(zhì)量比單自由度單TMD系統(tǒng)(SDOF-STMD with Small-Mass-Ratio，SDOF-STMD-SMR)對比，分析得到了系統(tǒng)參數(shù)對位移響應(yīng)、加速度響應(yīng)及減振效果

4、影響規(guī)律；基于SDOF-STMD-LMR系統(tǒng)，提出了將減振效果分解為減質(zhì)量效應(yīng)和減振效應(yīng)兩個指標(biāo)。研究表明減質(zhì)量效應(yīng)提高了地面加速度激勵下系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)位移的減振效果，但是降低了外加荷載激勵下系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)加速度的減振效果。
　　 其次，根據(jù)次結(jié)構(gòu)懸掛樓面剪切型振動特性，提出了剪切型懸掛減振結(jié)構(gòu)體系；基于歐拉-伯努利梁理論和層剪切模型，應(yīng)用拉格朗日方程推導(dǎo)了單段核筒懸掛減振控制結(jié)構(gòu)的運動方程。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用復(fù)模態(tài)疊加法對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進

5、行了頻域分析，以主體核筒頂點位移和懸掛樓面層間位移響應(yīng)為優(yōu)化目標(biāo)，對懸掛樓面的側(cè)移剛度、阻尼器的剛度和阻尼系數(shù)進行優(yōu)化。基于上述分析，首次提出了懸掛結(jié)構(gòu)損傷控制的概念，建議將主結(jié)構(gòu)頂點位移或基底剪力和懸掛樓面層間位移作為結(jié)構(gòu)損傷控制指標(biāo)；并對剪切型懸掛減振結(jié)構(gòu)體系進行改進，提出了一種可有效控制結(jié)構(gòu)損傷的新型懸掛擺減振結(jié)構(gòu)體系及新結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵部件“懸掛柔性層”，給出了可用于動力分析的子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法。
　　 再次，根據(jù)已建懸掛建

6、筑The IED Building，提出了將其作為單段懸掛結(jié)構(gòu)性能分析的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)；以此為基礎(chǔ)結(jié)合不同的控制策略，構(gòu)建了本文研究的剪切型懸掛減振結(jié)構(gòu)和懸掛擺減振結(jié)構(gòu)有限元模型；分別輸入近斷層和遠斷層兩類地震波進行了考慮重力效應(yīng)的大變形時程分析，研究表明：存在最優(yōu)阻尼器阻尼系數(shù)使得主結(jié)構(gòu)響應(yīng)最?。患羟行蛻覓旖Y(jié)構(gòu)阻尼器的設(shè)置可根據(jù)懸掛樓面層間剛度選擇均勻分布、三角形分布和模態(tài)分布；可調(diào)整懸掛擺減振結(jié)構(gòu)懸掛樓面的側(cè)向剛度提高懸掛樓段整體性，使得

7、層間位移主要集中于柔性層，而懸掛樓段的層間位移更??；近斷層地震波作用下懸掛減振結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)明顯增大。
　　 接著，首次進行了設(shè)置粘滯流體阻尼器的懸掛減振結(jié)構(gòu)模擬振動臺試驗用于評估減振結(jié)構(gòu)體系的有效性，且連接懸掛樓面和主結(jié)構(gòu)的粘滯流體阻尼器為線性阻尼。對比了主次結(jié)構(gòu)阻尼器連接、剛性連接和無連接時懸掛結(jié)構(gòu)的動力特性和地震響應(yīng)的減振控制效果；同時對比了阻尼器位置和地震動特性對剪切型懸掛減振結(jié)構(gòu)和懸掛擺減振結(jié)構(gòu)減振控制效果的影響，及懸掛

8、樓面?zhèn)认騽偠葘覓鞌[減振結(jié)構(gòu)的影響；試驗結(jié)果表明采用了設(shè)置粘滯流體阻尼器后能夠明顯降低懸掛結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，合理設(shè)置阻尼器的位置及選擇地震動輸入能夠取得較好的控制效果。
　　 最后，提出了多段懸掛擺減振結(jié)構(gòu)體系，并建議了一種適用于超高層建筑結(jié)構(gòu)、且不需要額外占用結(jié)構(gòu)高度的柔性層設(shè)計方案；給出了多段懸掛擺減振結(jié)構(gòu)的計算模型和運動方程，采用復(fù)模態(tài)疊加法推導(dǎo)結(jié)構(gòu)隨機動力響應(yīng)表達式；基于上述公式，分別輸入隨機地震動激勵和脈動風(fēng)荷載激勵，編制