附加调谐惯容阻尼器的基础隔震结构的抗震性能优化研究

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相较于传统的抗震结构,基础隔震结构和消能减震结构能更好地满足人们对于建筑安全性与舒适性的要求。引入隔震体系后,上部结构的层间位移反应能大大地降低,但是与之相应的是隔震层的水平位移也不容忽视。由于橡胶隔震支座的极限变形能力有限,如果支座破坏将导致上部结构的严重破坏,所以隔震层是整个基础隔震结构的薄弱环节,控制隔震层的位移反应是一项非常重要的工作。其中,最为有效的方式就是在隔震层附加一定数量的消能减震装置。为了克服传统的调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)质量过大的缺陷,基于机电相似理论而提出的惯容器(Inerter )由于具有显著的质量放大效应,近年来在结构振动控制领域逐渐受到关注。本文的主要研究对象就是一种基于惯容器的调谐阻尼器,即调谐惯容阻尼器(Tuned Inerter Damper,TID)。
  首先研究了附加惯容器的基础隔震结构的抗震性能,推导了附加惯容器的两自由度基础隔震体系的模态频率、模态振型、阻尼比、振型参与系数等动力响应的解析解,对特定参数下的简化结构体系进行参数研究,发现惯容器能够有效地控制隔震层的位移反应。
  不过,在惯容器降低隔震层的位移反应的同时,上部结构的绝对加速度反应却大大地升高。为了克服这一问题,将惯容器与阻尼元件、刚度元件组合起来,形成TID,将TID附加在基础隔震结构的隔震层。由于基础隔震结构本身就能良好地控制上部结构的位移反应,只需对隔震层水平位移反应和上部结构加速度反应两者进行优化。由于多目标优化的难度所在,使用了一种有约束的单目标优化方法,即基于性能需求的优化方法,将根据性能需求预先确定的隔震层水平位移作为约束条件,求解最优的上部结构绝对加速度反应。最终发现,TID能够同时地降低上部结构绝对加速度反应和隔震层水平位移反应。
  除此之外,由于绝大多数的基础隔震体系都是非线性的,隔震层在位移较小的时候有较大的等效阻尼比,此时对上部结构的反应有较大的影响,有必要进行同时考虑罕遇地震和设防地震的优化计算。所以,对附加TID的基础隔震结构进行非线性的多级设防目标优化设计,同时考虑罕遇地震下隔震层的位移反应和设防地震下上部结构的绝对加速度反应。
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