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地震是危害人类生命财产的自然灾害,具有突发性强、破坏性大、次生灾害严重等特点。地震灾害是不可避免的,但其后果却是可以减轻的。基于结构控制思想的消能减震结构体系就是近年来兴起的新的抗震设计方法。本文在广泛总结前人研究成果的基础上,采用试验研究和理论分析相结合的方法,对消能减震结构体系的减震性能进行了深入的、系统的研究,以进一步促进消能减震结构体系在实际工程中的推广。
在试验研究方面,采用多层多跨的大比例钢框架模型进行了系列振动台试验,按照动力相似理论对各模型结构进行了设计,广泛地进行了各种工况的试验研究,编写MATLAB程序对海量试验数据进行了处理。对比了不同结构体系、不同阻尼支撑布置形式和位置、带薄弱层以及带扭转效应的消能减震体系的动力性能和结构响应。
在理论分析方面,研究了结构薄弱层的阻尼支撑控制方法,基于单独在薄弱层设置阻尼支撑控制层间位移的设想,根据阻尼器和附加体系的力学特征,提出了“补偿刚度”的概念,得出了控制薄弱层层间位移的阻尼支撑简化设计方法。在结构扭转响应的阻尼支撑控制研究方面,以单层非对称结构为例,较系统计算、分析了附加阻尼比、阻尼偏心率、偏心侧阻尼布置率等参数对扭转效应的控制效果的影响。在消能减震结构体系抗震设计简化方法研究方面,在系统介绍和分析日本粘滞阻尼支撑减震结构的设计方法的基础上,结合我国设计方法的特点,提出了粘滞阻尼支撑减震结构的简化设计方法。
通过试验研究和理论分析,本文取得了如下结论:
1.设置有粘滞阻尼支撑的结构模型与无阻尼支撑的模型相比,结构的阻尼比有明显的增长;设置粘滞阻尼支撑基本不改变结构的自振频率,且粘滞阻尼支撑的位置、形式、数量均对其自振频率影响较小。
2.设置粘滞阻尼支撑能有效降低结构的地震反应,结构的位移明显减小,框架的基底剪力和杆件内力均有所减少。
3.阻尼支撑布置形式对结构的减震效果影响不大,但阻尼支撑布置形式对其周边构件的内力有一定影响,但其值与地震激励引起的内力相比是较小的。
4.阻尼支撑在立面的布置位置对结构的减震效果有明显影响。对于较规则的框架,在保持阻尼支撑数量不变的情况下,在所有各层均匀布置阻尼支撑时的减震效果最好,而在某层或某几层集中设置阻尼支撑时,对相应层的层间位移的控制较好,但对其他层的层间位移控制均不如均匀布置的情况;
5.当结构存在薄弱层时,在结构薄弱部位设置阻尼支撑,能有效的降低薄弱层和其他楼层的层间位移,直接在薄弱层设置更多的阻尼支撑能更加有效地控制其层间位移;采用“补偿刚度”的概念,本文提出的控制薄弱层层间位移的阻尼支撑简化设计方法具有相当的精度。
6.当结构由于刚度中心和质量中心偏离等原因而产生扭转效应时,合理设置阻尼支撑可有效地降低结构的扭转效应。模型的振动台试验表明,设置阻尼支撑对控制扭转响应的有效值效果明显,对其最大值效果较差,在柔性边多设置阻尼支撑的模型的减震效果最优。通过较系统分析计算了附加阻尼比、阻尼偏心率、偏心侧阻尼布置率等参数对扭转效应的控制效果的影响后,提出了扭转控制用阻尼支撑布置原则为:“周边、分散、偏心对侧、适量”。
7.在吸取国外设计方法的精华,并结合我国设计方法的特点,提出了粘滞阻尼支撑减震结构的简化设计方法,并进行了设计验证,结果表明该简化设计方法具有良好的精度,并且无需循环设计,过程简洁实用,可供设计采用。
8.进行了两例实际工程的设计实践,详细探讨了消能减震结构在多遇地震和罕遇地震下的响应,计算分析表明,合理设置消能减震部件的结构具有良好的抗震性能,且在高烈度地区有较好的经济性。