基于三重摩擦摆的高层建筑隔震与优化设计研究

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三重摩擦摆支座在不同强度的地震作用下可以自适应地改变刚度和阻尼,因而得到广大研究人员的关注。此前三重摩擦摆支座在低层建筑和桥梁工程中已有研究和应用,鉴于高层建筑隔震需求的增长,本文对基于三重摩擦摆的高层建筑隔震以及优化设计方法开展了理论分析、试验测试和有限元分析研究。所完成的具体工作如下:(1)对三重摩擦摆支座的摩擦材料(聚四氟乙烯)进行了测试,采用双剪法得到了聚四氟乙烯在不同竖向压强和峰值剪切速度下的摩擦系数。进行了三重摩擦摆支座的力学性能测试,采用低周往复加载研究了支座的滞回性能,并利用有限元软件Open Sees对支座的滞回特性进行了数值模拟,试验结果验证了数值模型的有效性。(2)建立了三重摩擦摆高层隔震建筑的理论模型,并推导了结构各层的运动方程。分别建立了基底固结结构、三重摩擦摆隔震结构和单摩擦摆隔震结构的有限元模型,对两种隔震结构进行了频域及时域分析,研究了三重摩擦摆高层隔震结构的减震机理。以结构地震反应最小为目标,提出了评价三重摩擦摆支座隔震效果的目标函数,通过遗传算法优化了支座参数并分析了基底固结结构、三重摩擦摆隔震结构以及单摩擦摆隔震结构在各个地震作用下的动力响应。另外,采用等效线性化方法估算了三重摩擦摆高层隔震结构在各级地震动强度下的支座位移。(3)基于线性自回归模型法编制了风速和风荷载的模拟程序,并对三重摩擦摆高层隔震建筑的风振反应进行了分析。建立了顶部安装磁流变阻尼器的三重摩擦摆高层隔震建筑的理论模型,并采用多目标优化算法对模糊控制器中的隶属函数进行设计,使得结构风振响应减小的同时不降低隔震效果。为了考察多目标优化模糊控制算法的控制效果,对采用人工设计模糊控制算法和无控状态时结构在风荷载和各地震作用下的反应进行了计算,比较了三种情况下结构的风振响应及地震响应,研究了不同的控制算法对结构风振反应和地震反应的影响。(4)采用多目标优化算法对三重摩擦摆支座参数进行优化,以同时减小结构的地震和风振反应,得到了满足风振要求时隔震效果最好的支座参数,并对不同支座参数下隔震结构在各级地震动和风荷载作用下的反应进行了比较。(5)对三重摩擦摆高层隔震建筑模型进行了振动台试验,得到了结构在各地震动强度下的地震反应,分析了三重摩擦摆支座在各地震动强度下的隔震效果。试验结果表明,在高层隔震建筑中三重摩擦摆支座有良好的隔震效果,为今后三重摩擦摆在高层建筑中的应用提供了参考。另外,利用Open Sees对三重摩擦摆高层隔震结构建立了数值模型,通过与振动台试验结果进行比较,验证了模型的有效性。(6)采用可以考虑支座碰撞和提离的计算模型对结构进行增量动力分析,计算了结构在各地震动强度下的倒塌概率,并以在大震作用下结构倒塌概率小于10%为目标,利用试错法对支座的位移限值进行了设计。与不考虑支座碰撞和提离时的地震反应结果进行了比较,分别计算了采用各支座力学模型时结构的倒塌概率。
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