減震結(jié)構(gòu)動(dòng)力抗震性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與統(tǒng)一設(shè)計(jì)方法研究項(xiàng)目摘要

本研究以非線性粘滯單元為基礎(chǔ)，提出一個(gè)可模擬各類阻尼器的位移相關(guān)性和速度相關(guān)性的統(tǒng)一的力學(xué)模型,并以此模型為基礎(chǔ)，建立一種用于非線性結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一的減震設(shè)計(jì)和動(dòng)力抗震性能評(píng)價(jià)方法。統(tǒng)一力學(xué)模型的建立可簡(jiǎn)化各類耗能構(gòu)件的力學(xué)描述，整合各種阻尼器的減震設(shè)計(jì)方法，促進(jìn)設(shè)計(jì)人員對(duì)減震結(jié)構(gòu)的理解和運(yùn)用能力。提出的非線性結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)彈塑性結(jié)構(gòu)的等價(jià)剛度的調(diào)節(jié)，可得到優(yōu)化的滿足彈塑性目標(biāo)變形角的耗能構(gòu)件設(shè)計(jì)值。由于減震結(jié)構(gòu)的耗能作用是在動(dòng)力反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)，而使結(jié)構(gòu)的位移和加速度反應(yīng)得到控制，因此本研究在結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)中引入地震荷載水準(zhǔn)的概念，將結(jié)構(gòu)的抗震性能與地震荷載水準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)，提出一個(gè)包含結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，變形能力，地震荷載水準(zhǔn)等因素的結(jié)構(gòu)的動(dòng)力抗震性能指標(biāo)。最后通過(guò)大量數(shù)值分析找到滿足減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要的目標(biāo)動(dòng)力抗震性能指標(biāo)，為減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)或相應(yīng)規(guī)范的形成提供量化的參考依據(jù)。

減震結(jié)構(gòu)在近年已得到廣泛應(yīng)用，在減震控制設(shè)計(jì)理論上，開(kāi)發(fā)實(shí)用高效的減震設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)減震耗能裝置的工作效率的提升，達(dá)到結(jié)構(gòu)性能要求和經(jīng)濟(jì)性的有效結(jié)合是目前研究工作的主要內(nèi)容之一。本項(xiàng)目首先提出了用于彈塑性結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)的基本框架，以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)采用滯回型阻尼器進(jìn)行減震控制情況為例，研究了單自由度結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特征參數(shù)隨阻尼器參數(shù)的變化規(guī)律，提出了彈塑性減震結(jié)構(gòu)體系的性能曲線方法，建立了多層彈塑性結(jié)構(gòu)的阻尼器參數(shù)的分配方法，并對(duì)有多種參數(shù)分布的結(jié)構(gòu)模型實(shí)施了大量的時(shí)程分析，驗(yàn)證了所提出的減震設(shè)計(jì)方法的有效性。該方法還可推廣至其他類型的主體結(jié)構(gòu)和其他類型的耗能阻尼器的組合，方法簡(jiǎn)單易行，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。其次，本項(xiàng)目重點(diǎn)研究了近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)的反應(yīng)譜阻尼調(diào)整系數(shù)。通過(guò)量化評(píng)價(jià)指標(biāo)選取了50條脈沖型地震動(dòng)，對(duì)其反應(yīng)譜的阻尼調(diào)整系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)脈沖型地震動(dòng)的脈沖周期對(duì)阻尼調(diào)整系數(shù)有重要影響，考慮脈沖周期影響的阻尼調(diào)整系數(shù)表現(xiàn)出更小的離散性。基于該結(jié)果本項(xiàng)目提出了考慮脈沖周期的阻尼調(diào)整系數(shù)，并對(duì)中國(guó)抗震規(guī)范的阻尼調(diào)整系數(shù)的可靠度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。發(fā)現(xiàn)在小阻尼比時(shí)，規(guī)范值與所選地震動(dòng)阻尼調(diào)整系數(shù)平均值接近，在高阻尼比時(shí)，在脈沖周期附近區(qū)域規(guī)范值較為保守，在相對(duì)短周期區(qū)域，規(guī)范值可靠度較低，存在過(guò)高估計(jì)阻尼減震效果的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)此研究，建議在進(jìn)行針對(duì)脈沖型地震動(dòng)的減震設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮地震震級(jí)、脈沖周期和阻尼減震效果的綜合影響。 2100433B

在鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，柱腳是一個(gè)關(guān)鍵部位。柱腳的作用是將鋼柱的下端固定于鋼筋混凝土基礎(chǔ)或基礎(chǔ)梁，并將柱身所受的內(nèi)力傳遞給基礎(chǔ)。柱腳的受力性能對(duì)結(jié)構(gòu)整體性有著直接的影響。本項(xiàng)目擬采用試驗(yàn)和有限元模擬分析相結(jié)合，開(kāi)展鋼柱腳抗震性能及設(shè)計(jì)方法研究。通過(guò)對(duì)鋼柱腳試件的加載試驗(yàn)和有限元模擬，揭示在不同軸壓與模擬地震往復(fù)水平加載下組合鋼柱腳的受力機(jī)理、破壞模式、承載能力和變形特性。通過(guò)參數(shù)分析，研究軸壓比、錨栓布置以及底板厚度等對(duì)鋼柱腳抗震性能的影響規(guī)律。通過(guò)歸納分析試驗(yàn)和有限元模擬結(jié)果，提出鋼柱腳的承載力、剛度的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和公式，以及可用于整體結(jié)構(gòu)分析的簡(jiǎn)化計(jì)算模型。通過(guò)典型鋼框架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)全過(guò)程數(shù)值模擬分析，研究鋼柱腳的延性和變形的需求，提出確保鋼柱腳抗震性能的構(gòu)造要求與構(gòu)造措施建議。本項(xiàng)目研究成果可以進(jìn)一步完善鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論，并為提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的地震安全提供技術(shù)保障。

1976年唐山及2008年汶川發(fā)生的強(qiáng)震造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，本項(xiàng)目針對(duì)城鎮(zhèn)多層及低層建筑結(jié)構(gòu)，提出一種新型建筑減震體系即非固結(jié)減震結(jié)構(gòu)體系的設(shè)想，針對(duì)該減震結(jié)構(gòu)體系開(kāi)展了地震作用下非固結(jié)減震結(jié)構(gòu)的空間動(dòng)力模型及損傷機(jī)理研究工作，主要研究工作內(nèi)容和取得的研究成果包括：①針對(duì)非固結(jié)減震體系提出一種錐形非固結(jié)減震裝置，對(duì)裝置的關(guān)鍵參數(shù)坡度角及聚氨酯高阻尼材料復(fù)合減震層開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)并加工不同坡度角和減震層為氯丁橡膠、丁基橡膠、聚四氟乙烯等的錐形非固結(jié)隔震支座，對(duì)不同參數(shù)的支座進(jìn)行水平力學(xué)性能試驗(yàn)，研究坡度角、阻尼材料類型、阻尼材料厚度、加載振幅、加載頻率及高應(yīng)力等對(duì)支座力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明非固結(jié)支座在多因素影響下具有穩(wěn)定的力學(xué)性能，得到了不同坡度角、減震層材料支座的耗能能力及各種因素的影響規(guī)律。②基于不同坡度角非固結(jié)支座靜力試驗(yàn)滯回曲線，采用ABAQUS軟件進(jìn)行支座三維模擬，采用超彈性力學(xué)模型系統(tǒng)地開(kāi)展非固結(jié)混凝土承臺(tái)與聚氨酯高阻尼材料復(fù)合減震層的本構(gòu)關(guān)系及彈塑性滯回性能研究，對(duì)支座的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，提出支座受力位移三階段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，基于三階段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提出考慮壓應(yīng)力/應(yīng)變/頻率等多因素效應(yīng)的支座恢復(fù)力骨架曲線公式及簡(jiǎn)化模型。③對(duì)采用非固結(jié)錐形隔震支座的縮尺1:4鋼框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了水平和豎向單向地震波輸入下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。通過(guò)輸入不同類型的地震波分析上部結(jié)構(gòu)和錐形支座的地震反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在8度和9度罕遇地震作用下，上部結(jié)構(gòu)的加速度峰值比輸入加速度峰值增加10%-50%，與普通抗震結(jié)構(gòu)相比具有較理想的減震效果。采用有限元軟件建模分析大震下非固結(jié)減震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，數(shù)值模型的地震響應(yīng)與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線較吻合，試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果一致性良好。④基于錐形非固結(jié)支座的幾何特性，分析了非固結(jié)支座在地震作用下的沖擊效應(yīng)，探討了沖擊效應(yīng)在不同地震烈度、不同場(chǎng)地波下對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。采用有限元軟件模擬非固結(jié)隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果分析結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)，劃分兩種沖擊狀態(tài)并定義了沖擊放大系數(shù)，建立了非固結(jié)減震結(jié)構(gòu)沖擊效應(yīng)的判定標(biāo)準(zhǔn)。⑤針對(duì)錐形非固結(jié)支座不能承受拉力的特點(diǎn)，研究了罕遇地震下結(jié)構(gòu)的抗傾覆可靠性，提出了三種非固結(jié)結(jié)構(gòu)高寬比限值計(jì)算方法，分析不同烈度區(qū)、不同場(chǎng)地條件下結(jié)構(gòu)的高寬比限值，給出了非固結(jié)隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆驗(yàn)算的計(jì)算依據(jù)。 2100433B

第1章 引論

1.1 結(jié)構(gòu)地震控制

1.2 黏滯阻尼器構(gòu)造和力學(xué)特性

1.3 黏滯阻尼減震的基本原理

1.4 結(jié)構(gòu)減震的發(fā)展現(xiàn)狀

第2章 減震結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析法

2.1 單自由度結(jié)構(gòu)時(shí)程分析

2.2 多自由度結(jié)構(gòu)時(shí)程分析

2.3 黏滯阻尼減震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)分析

2.4 減震結(jié)構(gòu)的三維有限元分析

2.5 非線性黏滯阻尼的線性化

第3章 減震結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜分析法

3.1 反應(yīng)譜

3.2 應(yīng)用規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算減震結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題

3.3 多反應(yīng)譜法計(jì)算減震結(jié)構(gòu)

3.4 考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法

3.5 減震結(jié)構(gòu)的復(fù)模態(tài)

第4章 減震結(jié)構(gòu)的性能分析

4.1 黏滯阻尼器各參數(shù)的相互關(guān)系

4.2 減震結(jié)構(gòu)的位移變化

4.3 減震結(jié)構(gòu)的速度變化

4.4 減震結(jié)構(gòu)的加速度變化

4.5 黏滯阻尼器用于結(jié)構(gòu)抗扭

第5章 減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

5.1 減震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)基本方法

5.2 單自由度減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

5.3 多自由度減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

5.4 直接基于位移的減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

5.5 減震結(jié)構(gòu)的能量設(shè)計(jì)方法

第6章 工程算例

6.1 算例一：北京展覽館

6.2 算例二：某12層框架

6.3 算例三：某3層框架

6.4 算例四：某新建5層框架

6.5 算例五：北京銀泰中心

參考文獻(xiàn)

后記2100433B