地震速度脉冲下巨-子结构体系动力性能研究

为了研究速度脉冲地震动作用下巨-子结构体系的动力性能,制作了巨-子结构抗震体系及隔震体系的试验模型,首先,选择2组具有速度脉冲特性的实际地震动记录及人工合成的具有相同加速度反应谱而无速度脉冲的地震动时程作为地震动输入,分别对巨-子结构抗震体系及隔震体系进行了振动台试验;其次,利用SAP2000对试验模型进行了仿真分析,并与振动台实测结果进行了对比。结果表明:仿真分析与试验实测结果具有一定的误差,但结构响应的整体变化趋势一致;不论是理论计算结果还是试验实测结果,近断层地震动速度脉冲作用下巨-子结构抗震体系及隔震体系的地震响应要大于无速度脉冲型地震动作用下的地震响应;与巨-子结构抗震体系相比,隔震体系在速度脉冲地震动作用下的反应降低明显,具有良好的减震效果。

近断层速度脉冲向前方向性效应和滑冲效应对巨-子结构体系地震反应的影响

建立巨-子结构抗震体系和隔震体系计算模型,选取向前方向性效应和滑冲效应引起的两类速度脉冲型实际地震动记录,并分别拟合具有相同加速度谱而无速度脉冲的人工地震动时程作为输入,探讨了在有、无速度脉冲地震动下两种不同巨-子结构体系的地震位移反应,详细分析了两类不同产生机制的速度脉冲型地震动对巨-子结构体系位移反应的影响差异.结果表明:近断层速度脉冲地震动对巨-子抗震结构的位移反应影响较小,但会使巨-子隔震结构的位移反应显著增大;滑冲效应对巨-子隔震结构主结构位移影响更大,向前方向性效应对巨-子隔震结构的隔震层位移影响更大;不同产生机制的速度脉冲对巨-子结构体系不同部位的位移反应影响存在差异,应分别考虑设计重点.

巨-子结构控制体系的减震机理及性能分析

建立了巨-子结构控制体系的运动方程,通过分析其动力特性得出巨-子结构控制体系的减震机理,结果表明,当子结构与主结构的质量比较小时表现为TMD调谐,质量比较大时表现为基础隔震,中间区域为层间隔震;利用复模态理论基于遗传算法以结构基底剪力为优化目标对子结构的物理参数进行优化;经希尔伯特-黄变换得到结构体系在时频平面上的边际谱,通过比较主结构与子结构顶部位移及加速度的边际谱强度验证了巨-子结构控制体系减小地震反应的有效性。最后,采用时程分析法从能量角度进一步验证了巨-子结构控制体系的适用性与可靠性。

巨-子结构控制体系的参数优化及随机响应灵敏度分析

为了研究巨-子结构控制体系中隔震层的最优参数,建立了巨-子结构控制体系的动力微分方程,基于遗传算法理论以基底剪力最小为优化目标对结构的物理参数进行了优化.采用虚拟激励法和摄动法,分析了巨-子结构控制体系平稳随机响应对各参数的灵敏程度.通过主结构层问位移方差、隔震层层间位移方差、子结构顶层绝对加速度方差对各参数的敏感程度分析表明,各响应对子结构的层刚度敏感性最小,而对子结构层质量、隔震层层刚度以及隔震层阻尼较为敏感.

巨-子结构控制体系地震易损性分析

提出了一种基于性能的巨-子结构控制体系的地震易损性分析方法。定义了巨-子结构控制体系的4个极限状态,提出了基于巨-子结构控制体系极限破坏状态确定结构抗震性能水平限值的方法。通过考虑近场与远场地震动的不确定性,采用增量动力分析(IDA)对比分析了传统巨-子结构抗震体系和巨-子结构控制体系在近、远场地震作用下的地震易损性,并得到了两者的易损性曲线,给出了巨-子结构控制体系的破坏概率。所得结果可供地震灾害的巨-子结构控制体系损伤评估参考。

基于机器学习的巨-子结构隔震体系地震损伤等级预测研究

建立了巨-子结构隔震体系的三维有限元模型,基于地震动峰值加速度对20条实际地震动记录进行调幅,在此基础上对考虑不同锈蚀状态下的巨-子结构隔震体系进行增量动力时程分析,得到了240组地震响应样本,探讨了钢材锈蚀对巨-子结构隔震体系抗震性能的影响。利用机器学习的方法将结构信息、地震动信息与结构的损伤等级相关联,给出了6种机器学习算法对巨-子结构隔震体系损伤等级的预测结果:极端梯度提升树、梯度提升树、随机森林、决策树的总体预测准确率均达到80%以上,其中极端梯度提升树算法表现最佳,准确率为86.6%且对不同损伤状态的预测精度也较高,支持向量机算法的总体预测准确率最低为60.3%。

基于响应面法的巨-子结构控制体系地震易损性分析

提出一种基于响应面法的巨-子结构控制体系的地震易损性分析方法。定义巨-子结构控制体系的4个极限状态,提出基于巨-子结构控制体系极限破坏状态确定结构抗震性能水平限值的方法。通过考虑地震动和结构物理参数不确定性,以中心复合设计方法建立地震动-巨-子结构控制体系的样本模型。采用SAP2000对系统的样本模型进行非线性动力时程分析,并分别建立巨-子结构控制体系中主结构、子结构以及隔震层的响应面模型,在此基础上采用蒙特卡洛模拟获得巨-子结构控制体系的易损性曲线,给出巨-子结构控制体系的破坏概率,从而为地震灾害的巨-子结构控制体系损伤评估提供依据,具有较大的工程应用前景。

新型巨-子结构消能控制体系的动力特性及减震性能研究

基于旋转惯容阻尼器(Rotation Inertia Damper,RID)具有实际物理质量小,且能提供较大阻尼力的特点,提出将RID应用到巨型结构体系,形成RID-巨-子结构消能控制体系。通过建立RID-巨-子结构消能控制体系的振动微分方程,分析RID参数(等效质量和等效阻尼系数)对系统动力特性的影响规律。在此基础上,从结构时程响应及随机响应两个方面研究该新型巨-子结构消能控制体系的减震性能。研究结果表明:RID参数会对系统的自振频率和阻尼比产生不同的影响。RID-巨-子结构消能控制体系相对于巨-子结构抗震体系而言,能有效地减小结构体系在地震激励下响应。所得研究成果可为巨型结构体系的减震设计提供建议。

长周期地震动作用下RID-巨-子结构消能控制体系减震性能研究

为了验证旋转惯容阻尼器(RID)对巨-子结构体系在长周期地震动作用下的减震效果,基于强震动观测数据比较了近断层速度脉冲型地震动和远场类谐和地震动这两类长周期地震动的特点,通过建立RID-巨-子结构消能控制体系的振动微分方程,对比分析了两类长周期地震动对RID-巨-子结构消能控制体系和巨-子结构抗震体系地震响应的影响差异。结果表明,相对于巨-子结构抗震体系,RID-巨-子结构消能控制体系能有效减小结构体系在长周期地震动作用下的地震响应,减震效果明显。

巨-子结构智能隔震体系抗震性能研究

针对巨-子结构隔震体系,在隔震层处或子结构顶部与主结构连接处,施加SMA-压电智能复合阻尼器,从而形成巨-子结构智能隔震体系。本文通过限界Hrovat最优控制算法设计了巨-子结构智能隔震体系的半主动控制器,在此基础上,对巨-子结构智能隔震体系进行了Simulink控制效果仿真分析,同时比较了控制装置安装位置的不同对结构控制效果的影响,并与普通隔震结构的减震效果进行了对比。研究结果表明,智能隔震控制1(隔震层加控制装置)和智能隔震控制2(子结构顶部加控制装置)2种控制方案在控制结构的位移方面效果相差不大。总体而言,智能隔震控制2对于控制子结构单元顶部的绝对加速度效果更为显著,但是相对于普通隔震而言,特别是在控制隔震层位移方面2种方案都具有较好的控制效果。实施智能控制可以有效改善巨-子结构被动控制体系的抗震性能,并能降低隔震结构在遭受强震时由于隔震层出现过大位移导致结构倾覆的危险。

基于响应面法的巨-子结构控制体系可靠性灵敏度分析

建立巨-子结构控制体系动力微分方程,利用复模态理论推导结构体系的传递函数。用响应面法获取极限状态函数,并基于随机振动首次超越破坏准则,分析结构体系动力可靠度计算方法;考虑地震随机激励,结构处于弹性状态时分析其随机参数对巨-子结构控制体系层间位移角的可靠性灵敏度。结果表明,基于层间位移角的可靠度对子结构刚度均值灵敏度较差,对主结构刚度及隔震层阻尼比均值灵敏度较强。

巨-子型结构控制体系抗震性能的试验研究

研究开发了一种新型的高阻尼比减隔震支座,设计了一个与实际工程结构相接近的Y字型巨-子结构钢模型,并分别对传统巨-子型结构抗震体系和采用新型减隔震支座连接的控制体系进行了振动台试验。结果表明,与传统的巨-子型结构抗震体系相比,新型的巨-子结构控制体系在地震作用下的反应显著降低,具有良好的减震效果。由试验观察到的该控制体系减震机理与理论分析结果相吻合,可为工程设计和应用提供参考。

巨-子组合结构减震控制研究

巨型结构具有很大的整体稳定性和很高的结构效能,其主、子结构各自的受力特点决定了主、子结构的形式、建材、抗震性能要求等可以不同。利用该特点,以钢(型钢)混凝土建造巨型结构的主结构,轻钢构建子结构,形成不同于现有巨型结构和超高层混合结构的真正结构意义上的组合结构。为克服该新型组合结构体系中轻钢子结构过大的荷载响应,在子结构柱下设置夹层橡胶隔震支座,由此构成了巨-子组合减震结构。不同于已有的巨型框架多功能减振结构,本研究的建材不同,也更具实际工程意义。对依据该思想设计的一座70层超高层住宅做了多方案对比计算分析,得出一系列可供工程设计借鉴的结论。

速度脉冲地震动作用下巨-子结构隔震体系的振动台试验研究

设计并制作了巨-子结构抗震体系及隔震体系的钢框架试验模型,选择2组加速度反应谱一致的包含和不含速度脉冲的实际强震动记录和人工合成地震动时程作为输入,分别对巨-子结构抗震体系及隔震体系进行了振动台试验,从试验的角度研究了地震动的速度脉冲特性对巨-子结构抗震体系及隔震体系地震响应的影响规律.结果表明,近断层地震动速度脉冲作用下巨-子结构抗震体系及隔震体系的地震响应要大于无速度脉冲地震动作用下的地震响应.巨-子结构隔震体系相对于抗震体系而言,在速度脉冲地震动作用下能有效减小结构的地震反应,减震效果明显.

巨-子结构控制体系振动台试验与有限元模型对比分析

为了研究巨-子结构控制体系的抗震性能,该文进行了巨-子结构控制体系的振动台试验研究。试验模型均为钢框架模型且包括三个不同的模型,分别称为抗震结构模型、隔震结构模型和隔震-底层固结模型。采用大型有限元软件SAP2000对试验模型进行了非线性时程分析,并在主结构的加速度、层间位移,子结构的层间位移以及隔震层的变形方面与试验结果进行了对比分析。结果表明:理论分析与试验研究结果吻合较好,且不论是理论计算结果还是试验实测结果,隔震结构以及隔震-底层固结结构相对于抗震结构而言,结构的响应减小明显,说明结构施加隔震装置后能有效减小结构响应,从而保证结构的安全性。

近场地震作用下巨-子隔震结构振动台试验

基于子框架隔震的巨-子结构可以解决高层隔震结构受限于高宽比限值的问题,现有研究主要集中在理论、数值分析及远场地震作用。该文设计制作了一个具有三个巨型结构层的巨-子结构实验模型,将铅芯隔震支座设置在子框架底部,对巨-子结构进行了近、远场地震作用下无控和有控的振动台对比试验。试验结果表明:在子框架与主框架的连接部位设置隔震层,对主框架的地震反应具有明显的调谐减震作用,对子框架的地震反应也具有显著的隔震作用;近场地震作用下主框架和子框架的地震反应都要大于相同场地的远场地震动。超设防烈度近场地震作用下,隔震子框架与主框架发生碰撞,对结构的舒适性和安全性产生不利影响。