考虑非线性气动阻尼的基底隔震高层建筑横风向响应分析

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基底隔震结构通过设置隔震层来延长结构的自振周期从而减小地震作用,最终达到减震和隔震的效果,目前已受到广泛的研究和使用。但是在我国福建省和海南省等地区,不仅存在严重震害,也时常受到台风等强风的袭击。由于隔震层的使用,高层建筑基频明显降低,风荷载往往成为控制性荷载。特别随着基底隔震高层建筑高度的增加,自振周期易于和风荷载旋涡脱落周期接近,更加容易发生涡激共振,使得高层建筑面临安全性和舒适性的挑战,亟需开展基底隔震高层建筑的抗风理论与设计方法研究。目前国内外对于基底隔震高层建筑横风向涡激振动响应的研究较少,鉴于此现象,本文进行了如下研究:(1)基于考虑非线性气动阻尼的高层建筑运动方程,用多项式拟合了气动阻尼实验数据,得到了等效气动阻尼,从而获得了等效气动阻尼与非线性气动阻尼的联系。进行了高层建筑横风向响应动力时程分析,对比了涡激振动和抖振以及不同结构阻尼比之间的响应结果。(2)推导了考虑非线性气动阻尼的基底隔震高层建筑运动方程以及对应的基底剪力中自激部分计算公式。进行了基底隔震高层建筑横风向响应动力时程分析,对比了涡激振动和抖振、不同上部结构阻尼比以及隔震与非隔震结构之间的响应结果。(3)通过参数分析,研究了自激力中隔震层位移、上部结构阻尼比、隔震层阻尼比、第二刚度比和隔震层屈服位移五个参数对于基底隔震高层建筑横风向涡激振动各个响应的影响,对这些参数进行研究,有利于为工程结构的设计提供更多参考。通过对以上几个方面进行研究,结果表明:(1)非隔震高层建筑在涡激锁定临界风速附近,各个响应随风速增加迅速增大;基底隔震高层建筑受涡激振动的影响则表现相对不明显。(2)对于非隔震高层建筑而言,在相同的风速下,结构阻尼比较小,结构的响应更大;对于基底隔震高层建筑而言,上部结构阻尼比变化对于结构响应的影响相对较小。(3)由于隔震层的设置,提高基底隔震高层建筑系统阻尼,有利于减少涡激振动,从而使基底隔震高层建筑涡激振动的各个响应比非隔震高层建筑响应明显的减小。(4)自激力中隔震层位移对于基底隔震高层建筑的各个响应影响很小,因此在进行涡激振动响应计算时,可以忽略隔震层位移,从而获得简化的自激力公式。上部结构阻尼比有减小基底隔震高层建筑各个响应的作用,并且上部结构阻尼比越大,结构的响应就越小。在低风速时,隔震层处于弹性阶段,隔震层阻尼比对于各个响应的影响较小;在高风速时,在高风速时,随着隔震层阻尼比的增大,隔震层位移逐渐减小,这使得隔震层进入塑性的程度减弱,附加阻尼减小,顶部位移、顶部加速度和底部剪力逐渐增大。对于隔震层位移而言,第二刚度比增大,隔震层进入塑性的程度减弱,隔震层位移减小;对于其他响应而言,第二刚度比增大,系统中的滞回阻尼减小,各个响应增大。在弹塑性阶段,由于隔震层进入塑性的程度减弱,隔震层位移随着屈服位移的增大而减小。对于其他各个响应而言,由于隔震层进入塑性的程度减弱,附加阻尼减小,响应随着屈服位移的增大而增大。
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