基于耦合效應(yīng)的主-附結(jié)構(gòu)體系地震響應(yīng)研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟發(fā)展和科技進(jìn)步，越來越多土木工程結(jié)構(gòu)物的形式趨向于大型化和復(fù)雜化，由多個子結(jié)構(gòu)構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)體系在工程中日益頻繁出現(xiàn)，如大量裝飾性和功能性的建筑類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件依附于建筑物主體結(jié)構(gòu)安置，現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)使得重要精密儀器和機電設(shè)備在生產(chǎn)生活中逐漸開始廣泛應(yīng)用，為抵抗復(fù)雜環(huán)境荷載阻尼器裝置在建筑結(jié)構(gòu)中的采用等，諸如此類的結(jié)構(gòu)體系都可歸于由具備不同動力特性、存在主次關(guān)系的多個子結(jié)構(gòu)組合而成，并具有獨特動力特性的主一附結(jié)構(gòu)體系，其中建筑物稱

2、為主體結(jié)構(gòu)，建筑物上附加的建筑類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、機電設(shè)備非結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及阻尼器減振裝置統(tǒng)稱為附屬結(jié)構(gòu)。鑒于附屬結(jié)構(gòu)在地震中的損壞往往會造成巨大的經(jīng)濟損失，國內(nèi)外學(xué)者對其十分關(guān)注，自上世紀(jì)八十年代開始，持續(xù)進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究工作。近年來，隨著基于性能抗震設(shè)計理念的發(fā)展，附屬結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防以及減振控振成為目前抗震領(lǐng)域研究的熱點。由于主一附結(jié)構(gòu)體系具有明顯區(qū)別于一般建筑結(jié)構(gòu)形式的動力特性，從嚴(yán)格意義上來說，傳統(tǒng)的實模態(tài)振型分解以及以此為基礎(chǔ)的抗震設(shè)

3、計反應(yīng)譜等動力分析方法在理論上不再適用，依賴于傳統(tǒng)分析方法必然會引入不必要的誤差甚至是錯誤.因此，有必要針對此類結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行專門的研究，擴展和改進(jìn)已有分析手段并引入新方法，以建立兼顧精度和效率要求的適合于主一附結(jié)構(gòu)體系的動力分析方法。根據(jù)以上幾點需要，本文開展了相關(guān)研究工作，工作內(nèi)容以建筑物主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)動力耦合特性為基礎(chǔ)，分別從主一附結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)特性、數(shù)值分析方法和減振控振策略等方面對主一附結(jié)。構(gòu)體系進(jìn)行研究，作者所做的工作

4、如下：
　　 (1)基于主一附結(jié)構(gòu)體系的動力耦合特性，對非線性主體結(jié)構(gòu)上附屬結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。文中建立了由建筑物主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)組合而成的主一附結(jié)構(gòu)耦合體系的隨機分析模型，通過數(shù)值實驗分析了影響附屬結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的幾個重要因素：建筑物主體結(jié)構(gòu)的非線性情況、主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)各自的模型參數(shù)、附屬結(jié)構(gòu)所在樓層位置以及多個附屬結(jié)構(gòu)之間的動力相互影響等，其中重點分析了主體結(jié)構(gòu)非線性對附屬結(jié)構(gòu)的影響。文中通過以上的參數(shù)影響研究

5、，得到了一些有益的結(jié)論，借此探究非線性情況下主一附結(jié)構(gòu)體系的耦合響應(yīng)特征。
　　 (2)研究了多維地震動輸入下具有偏心特性的建筑物主體結(jié)構(gòu)上附屬結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性，并對偏心樓板反應(yīng)譜的變化情況進(jìn)行了分析和探討。文中建立了偏心主體結(jié)構(gòu)一咐屬結(jié)構(gòu)的耦合動力模型，基于此偏心模型對附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究了偏心情況下影響附屬結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的主要因素。進(jìn)一步計算了附屬結(jié)構(gòu)響應(yīng)評估的重要參數(shù)一樓板反應(yīng)譜，分析了參數(shù)影響規(guī)律，文中計算考慮了主一

6、附結(jié)構(gòu)之間的耦合特性，將其結(jié)果與基于規(guī)范方法的結(jié)果相對比，指出了規(guī)范方法的適用范圍和誤差情況。
　　 (3)基于動力耦合效應(yīng)，對主一附結(jié)體系的整體可靠度進(jìn)行了研究。文中首先指出了在主一附結(jié)構(gòu)體系中對附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體可靠度分析的必要性，研究了地震激勵下考慮建筑物主體結(jié)構(gòu)損壞情況時附屬結(jié)構(gòu)整體可靠度的計算方法，進(jìn)一步分析了建筑物主體結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對附屬結(jié)構(gòu)可靠度的影響規(guī)律和影響程度。此外，文中還對比了相關(guān)失效模式和基于獨立重復(fù)試驗的結(jié)

7、構(gòu)體系可靠度，分析了基于獨立重復(fù)試驗假定的串聯(lián)可靠度計算方法的誤差。
　　 (4)推導(dǎo)了適用于主-附結(jié)構(gòu)體系隨機響應(yīng)計算的快速迭代公式。不同于之前提出的迭代方法，本文方法是基于虛擬激勵法所提出，其結(jié)合了虛擬激勵法和迭代法各自的優(yōu)點，計算效率較高，并可避免復(fù)數(shù)運算和矩陣求逆運算，借以避免矩陣病態(tài)可能導(dǎo)致的數(shù)值問題，得到隨機響應(yīng)分析的精確解。文中從數(shù)值理論上分析了該方法的計算效率，并采用數(shù)值算例驗證了其計算準(zhǔn)確性，證明了該方法是一種

8、具有高計算效率的準(zhǔn)確隨機分析方法。
　　 (5)提出了適用于主-附結(jié)構(gòu)體系反應(yīng)譜分析的攝動反應(yīng)譜方法。該方法是基于與傳統(tǒng)的完全平方組合(CQC)方法類似的假定展開的隨機推導(dǎo)，是對傳統(tǒng)反應(yīng)譜組合方法的改進(jìn)，可提高主-附結(jié)構(gòu)體系反應(yīng)譜分析的精度，避免非比例阻尼情況下強迫解耦可能會帶來的過大誤差。文中通過數(shù)值算例進(jìn)行驗證，可知其相對于傳統(tǒng)的CQC方法具有更高的精度。鑒于當(dāng)前工程設(shè)計中采用的往往是能體現(xiàn)概率統(tǒng)計特性同時具備較高實用性的反

9、應(yīng)譜理論，該方法具有一定的工程應(yīng)用價值。
　　 (6)提出了臨近多個附屬結(jié)構(gòu)協(xié)同減振的控制策略，并進(jìn)行了相關(guān)研究。文中對協(xié)同減振裝置參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)置，分析了多個附屬結(jié)構(gòu)的協(xié)同減振效果，從而確切指出可以在多個附屬結(jié)構(gòu)之間設(shè)置連接粘滯阻尼器和共享調(diào)諧阻尼器來實現(xiàn)共同減振，并分析了二者的適用范圍。此外，文中給出了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)和調(diào)諧液體阻尼器(TLD)的統(tǒng)一運動方程，提出了將TLD轉(zhuǎn)化為TMD的建模方法，其可統(tǒng)一調(diào)諧阻尼器