巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)體系地震作用下減振理論及其試驗(yàn)研究.pdf

1、近年來，高層建筑和超高層建筑在我國發(fā)展極快。自1992年房地產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展至今的十多年間，中國已經(jīng)成為世界上高層建筑數(shù)量最多的國家，百米以上超高層建筑的數(shù)量?jī)H次于美國。高層建筑的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)理論研究的進(jìn)步。這些進(jìn)步，一方面表現(xiàn)為新型結(jié)構(gòu)體系的成熟與普及，巨型框架結(jié)構(gòu)體系即為其中較突出的例子；另一方面，體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)控制理論越來越成熟，并在實(shí)踐中得到更多的推廣與應(yīng)用。 結(jié)構(gòu)控制理論是對(duì)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震理論的大升級(jí)。該理論對(duì)于

2、結(jié)構(gòu)安全，不再著眼于提高結(jié)構(gòu)抗力，而是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)自身參數(shù)或附加減振裝置，來減輕和抑制結(jié)構(gòu)在地震和強(qiáng)風(fēng)下的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)荷載效應(yīng)的大幅降低，從而提高結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載與地震作用下的安全可靠性。結(jié)構(gòu)控制理論雖然至今只有短短三十年的歷史，但是已經(jīng)成為了結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。結(jié)構(gòu)控制措施可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、混合控制三類，其中被動(dòng)控制較為成熟。具體而言，被動(dòng)控制又包括基礎(chǔ)隔震、調(diào)諧質(zhì)量減振、耗能減振等多種技術(shù)措施。這些減振技術(shù)措施能夠有效地減

3、小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，但是相應(yīng)也存在一些適用局限性，或者存在改進(jìn)的余地。基礎(chǔ)隔震技術(shù)最為成熟，實(shí)際應(yīng)用最多，但是通常只適用于10層以下建筑；而調(diào)諧質(zhì)量減振技術(shù)(TMD)需要制造、安裝較大的附加質(zhì)量塊，增加了造價(jià)和施工難度；耗能減振技術(shù)對(duì)于水平力作用下不是以剪切變形為主的結(jié)構(gòu)減振效果有限。如果一種高層結(jié)構(gòu)體系能夠綜合利用以上多種減振技術(shù)措施，發(fā)揮它們的長(zhǎng)處，避開它們的缺點(diǎn)，必然可以獲得較為理想的減振效果。 本課題組將減振技術(shù)與結(jié)構(gòu)方案

4、有機(jī)地結(jié)合起來，提出了一種具有多種減振功能的新型結(jié)構(gòu)體系——巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)體系。該體系從TMD系統(tǒng)的減振思路出發(fā)，結(jié)合巨型框架結(jié)構(gòu)獨(dú)特的剛度與質(zhì)量分布，在巨型框架結(jié)構(gòu)的主、子框架連接處設(shè)置隔震層，使得各個(gè)子框架成為巨大的質(zhì)量塊，與主框架構(gòu)成大型調(diào)諧質(zhì)量系統(tǒng)，同時(shí)，每個(gè)子框架部分又成為一個(gè)置于主框架上的基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)，而隔震層本身也能向結(jié)構(gòu)提供較大阻尼。如有必要，以剪切變形為主的子框架還可以有效利用各類耗能阻尼器。 對(duì)于該體

5、系，隔震層參數(shù)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。如果隔震層參數(shù)既能滿足調(diào)諧質(zhì)量系統(tǒng)的優(yōu)化要求，達(dá)到利用子框架諧振抑制主框架振動(dòng)的目的，同時(shí)又能滿足子框架部分基礎(chǔ)隔震的要求，減小子框架的振動(dòng)，保證子框架的安全，則該結(jié)構(gòu)體系就能實(shí)現(xiàn)多功能減振效果，大大減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。 由于隔震層參數(shù)的選取必須同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)對(duì)于主框架位移和各個(gè)子框架相對(duì)位移的控制要求，因此巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化問題為多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題。本文提出了利

6、用有效域進(jìn)行多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法：首先對(duì)不同的控制目標(biāo)函數(shù)按照各自控制要求分別計(jì)算得到參數(shù)有效域，再對(duì)多個(gè)控制目標(biāo)函數(shù)的參數(shù)有效域求交集，得到綜合參數(shù)有效域，則該有效域內(nèi)的所有參數(shù)都能滿足全部振動(dòng)控制要求。由該綜合參數(shù)有效域最大內(nèi)切球中心點(diǎn)得到的參數(shù)解，不但能夠滿足控制要求，而且最大限度地控制住了參數(shù)在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)的誤差所引起的優(yōu)化損失。 有效域的概念使得不同控制目標(biāo)函數(shù)對(duì)參數(shù)的要求相互兼容。對(duì)于多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化，也可以采用加

7、權(quán)法或范數(shù)法將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)來求其最優(yōu)值。但這種轉(zhuǎn)化往往涉及到對(duì)不同目標(biāo)函數(shù)賦權(quán)，不同的研究者給出的轉(zhuǎn)化公式各不相同，最終的優(yōu)化結(jié)果有時(shí)會(huì)有較大出入。此外，采用這種方法得到的參數(shù)最優(yōu)解對(duì)于權(quán)值較小的目標(biāo)函數(shù)未必能夠滿足控制要求。 有效域方法由于對(duì)多個(gè)目標(biāo)函數(shù)求參數(shù)域，計(jì)算量相應(yīng)加大。但是由于巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)體系可以將子框架視為剛體，系統(tǒng)的剛度、質(zhì)量矩陣總維數(shù)相當(dāng)有限，因此問題的規(guī)模實(shí)際上并不大。 本文給

8、出了多功能減振結(jié)構(gòu)體系算例結(jié)構(gòu)有效域方法的頻域優(yōu)化計(jì)算過程。由于對(duì)TMD系統(tǒng)的研究表明，隔震層阻尼比不需優(yōu)化，可以直接采用上限值，因此，系統(tǒng)待優(yōu)化參數(shù)只包含各個(gè)子框架的調(diào)諧比。算例計(jì)算中，對(duì)于主框架位移響應(yīng)，在對(duì)不同控制要求所對(duì)應(yīng)的有效域大小、形狀進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上，選擇設(shè)定控制要求為比相應(yīng)普通巨型框架結(jié)構(gòu)響應(yīng)降低50％；對(duì)于子框架位移響應(yīng)控制要求參考橡膠墊性能選取較合理值。經(jīng)過網(wǎng)格計(jì)算，得到能夠滿足主框架和各子框架位移響應(yīng)控制要求的

9、綜合參數(shù)有效域。取該綜合參數(shù)有效域最大內(nèi)切球中心點(diǎn)為最優(yōu)參數(shù)，經(jīng)時(shí)域驗(yàn)算可知，優(yōu)化后的多功能減振結(jié)構(gòu)體系位移響應(yīng)基本滿足控制要求。 此外，由網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)體系具有良好的魯棒性：即在相當(dāng)大參數(shù)范圍內(nèi)，即使參數(shù)偏離最優(yōu)參數(shù)很遠(yuǎn)，多功能減振結(jié)構(gòu)體系主框架位移響應(yīng)仍然小于普通巨型框架結(jié)構(gòu)，未經(jīng)優(yōu)化的系統(tǒng)仍能保證主框架結(jié)構(gòu)的安全。 本文對(duì)地震作用下巨型框架多功能結(jié)構(gòu)體系算例結(jié)構(gòu)中能量流進(jìn)行了追蹤，給出

10、了減振機(jī)理的能量解釋，并繪出了巨型框架多功能結(jié)構(gòu)體系中能量分配圖。 本文進(jìn)行了巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)體系的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。為獲得巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)體系減振效果，本試驗(yàn)包括同條件制作、養(yǎng)護(hù)的兩個(gè)試件，一個(gè)試件為巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)，另一個(gè)為普通巨型框架結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明，巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)置于隔震墊層上的子框架基本保持剛體運(yùn)動(dòng)；其子框架絕對(duì)加速度比普通巨型框架結(jié)構(gòu)降低35％～90％，隔震效果良好；其主框架位移響應(yīng)比后者降