多因素影響下建筑結(jié)構(gòu)隨機(jī)阻尼的研究

長(zhǎng)期以來(lái)各國(guó)的結(jié)構(gòu)阻尼取值都僅主要考慮結(jié)構(gòu)所用材料這一因素，并且差異很大，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)計(jì)算和結(jié)構(gòu)控制的準(zhǔn)確度。本研究以世界各國(guó)大量的建筑阻尼的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，并通過(guò)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)多因素影響的結(jié)構(gòu)隨機(jī)阻尼進(jìn)行綜合分析，找出其規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型和編制程序，因此本項(xiàng)目具有課題前沿，理論先進(jìn)，以工程建設(shè)為背景的特點(diǎn)。 2100433B

主要針對(duì)土木、機(jī)械、航天等領(lǐng)域的阻尼比定義來(lái)講解。阻尼比用于表達(dá)結(jié)構(gòu)阻尼的大小，是結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性之一，是描述結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中某種能量耗散的術(shù)語(yǔ)，引起結(jié)構(gòu)能量耗散的因素（或稱(chēng)之為影響結(jié)構(gòu)阻尼比的因素）很多，主要有（1）材料阻尼、這是能量耗散的主要原因。（2）周?chē)橘|(zhì)對(duì)振動(dòng)的阻尼。 （3）節(jié)點(diǎn)、支座聯(lián)接處的阻尼（4）通過(guò)支座基礎(chǔ)散失一部分能量。（5）結(jié)構(gòu)的工藝性對(duì)振動(dòng)的阻尼。

作為一種新型隔震措施，周期性隔震基礎(chǔ)已得到研究者越來(lái)越多的關(guān)注。在不考慮材料阻尼情況下，周期性隔震基礎(chǔ)的隔震機(jī)理已較明晰。然而，由于理論分析上的困難，材料阻尼因素對(duì)周期性隔震基礎(chǔ)濾波特性的影響一直未能考慮。本項(xiàng)目將系統(tǒng)研究計(jì)入阻尼因素后周期性結(jié)構(gòu)頻散關(guān)系分析方法以及阻尼因素對(duì)周期性隔震基礎(chǔ)濾波特性的影響。研究?jī)?nèi)容主要包括：1）考慮阻尼因素，尋求周期性結(jié)構(gòu)頻散關(guān)系的求解方法，建立周期性結(jié)構(gòu)濾波特性與耗能特性簡(jiǎn)化分析模型；2）研究有限周期性結(jié)構(gòu)的能量流動(dòng)特性，揭示濾波衰減作用和耗能衰減作用的影響機(jī)理；3）針對(duì)不同地震動(dòng)、上部結(jié)構(gòu)特性等因素，研究阻尼對(duì)周期性隔震基礎(chǔ)濾波特性的影響，提出考慮阻尼后周期性隔震基礎(chǔ)的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。通過(guò)本項(xiàng)目研究，可望給出計(jì)及阻尼時(shí)周期性結(jié)構(gòu)頻散關(guān)系的有效求解方法，揭示材料阻尼對(duì)周期性隔震基礎(chǔ)濾波特性的影響，進(jìn)而豐富和完善周期性隔震基礎(chǔ)的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法。

顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)是對(duì)顆粒阻尼和調(diào)諧質(zhì)量阻尼有機(jī)結(jié)合的新型阻尼系統(tǒng)，既能有效拓寬調(diào)諧質(zhì)量阻尼的減振頻帶、提高減振效率和耐久性，又為顆粒阻尼的結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用提供了實(shí)現(xiàn)途徑。本課題通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、風(fēng)洞模型試驗(yàn)、數(shù)值分析以及參數(shù)優(yōu)化對(duì)顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的減振機(jī)理及應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的效果進(jìn)行了研究，揭示了其工作機(jī)理和物理本質(zhì)。五層鋼框架的對(duì)比試驗(yàn)表明在不同地震作用下，顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)均能達(dá)到較好的減震效果，其中在上海人工波作用下的減震效果最好（均方根位移與加速度響應(yīng)減震率分別達(dá)到72.17%與70.99%）；另外，合理的參數(shù)選取更有利于發(fā)揮顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的性能，開(kāi)展了附加顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的氣彈風(fēng)洞試驗(yàn)（縮尺比為1：200），試驗(yàn)研究表明顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)對(duì)高層建筑風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)有良好的減振控制效果，控制合理的顆粒密度、增加顆粒數(shù)量、加劇顆粒之間的碰撞等均可以提高其減振效果；基于多顆粒等效原則建立顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的數(shù)值模型，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體吻合較好，峰值加速度吻合較好，而均方根加速度也可以將誤差控制在可接受的范圍內(nèi)；通過(guò)微分演化算法對(duì)顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)進(jìn)行了全局優(yōu)化，相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的減振率提高了約50%；最后，提出合理的實(shí)用設(shè)計(jì)方法，明確相應(yīng)的核心技術(shù)、設(shè)計(jì)流程、構(gòu)造、制作、安裝和測(cè)試要求，并用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。本課題展示了顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)在土木工程應(yīng)用的巨大前景，為土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的發(fā)展提供了另一種有效的途徑，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。