摩擦擺支座單層球面網殼結構減震機理及抗震設計研究.pdf

1、網殼結構作為一種典型的大跨空間結構，具有跨度大、受力合理、造型優(yōu)美等特點，展現出良好的發(fā)展前景，是許多地標性建筑采用的建筑形式。由于此種結構政治、經濟意義突出，且往往是人口密集場所，所以對網殼結構減震機理及抗震性能的研究工作顯得尤為重要。目前，網殼結構的研究成果主要集中在穩(wěn)定性、動力性能及失效機理分析等方面，有關網殼結構振動控制的研究開展較少。
　　摩擦擺支座（FPB）作為一種高效且完全被動的摩擦滑移隔震裝置，應用于網殼結構時，會

2、引起一系列急需解決的關鍵問題，如網殼結構應用FPB的可行性分析、結構減震效果研究、FPB選取原則、結構參數影響程度、支座設計以及FPB安裝設計等問題，本文正是將FPB精細化有限元模型應用于網殼結構，并針對上述問題對設置FPB網殼結構的減震機理及效果展開系統的研究。首先，分析了落地與帶下部支承FPB網殼結構減震機理與抗震性能，證明FPB結構具有顯著的減震效果，并給出了網殼結構選取FPB的基本原則。其次，針對網殼結構，基于傳統摩擦擺支座，設

3、計了三種新型摩擦擺減震支座，通過理論和數值分析探討其減震機理，并通過數值算例驗證了三種支座良好的減震性能；最后，從支座初始設計角度、布置方式以及安裝位置等三個方面對FPB的安裝設計進行了研究，給出了FPB網殼結構的設計建議，為FPB在網殼結構中的廣泛應用奠定基礎。本文的主要研究內容如下：
　　1.摩擦擺支座減震機理及有限元建模
　　從隔震和耗能減震兩方面分析了摩擦擺支座的減震機理，給出了摩擦擺支座結構的運動方程，建立了精細化

4、的摩擦擺支座有限元模型，并通過已有試驗結果驗證了建模方法的合理性和正確性。
　　2.摩擦擺支座網殼結構抗震性能研究
　　將精細化摩擦擺支座有限元模型應用到落地單層球面網殼結構中，從內力、變形和穩(wěn)定性三方面分析了摩擦擺支座對網殼結構靜力性能的影響，分析表明摩擦擺支座網殼結構內力和變形增加，結構穩(wěn)定性能減弱，但加強最外環(huán)環(huán)桿能有效地減弱摩擦擺支座的不利影響。另外，從地震波和摩擦擺支座參數兩方面，研究了網殼結構抗震性能的變化規(guī)律，

5、給出地震波作用對摩擦擺支座網殼結構減震效果的影響規(guī)律，地震動強度越大，FPB結構減震效果越明顯；隨著摩擦擺支座摩擦系數的增加，FPB結構減震效果先增強后減弱；FPB曲率半徑越大，減震效果越好。通過對不同矢跨比、屋面荷載和跨度網殼結構減震效果的研究，驗證了不同結構應用FPB作為減震設備的可行性。
　　3.帶下部支承的摩擦擺支座網殼結構抗震性能研究
　　將FPB安裝于柱頂與網殼結構之間，分析柱支承FPB網殼結構內力、變形以及穩(wěn)定

6、性。考慮了地震波、摩擦擺支座及上部網殼結構參數對網殼結構抗震性能的影響，得出的不同參數變化對結構動力性能的影響規(guī)律與落地網殼結構相似。此外，研究了柱高度和截面半徑變化時FPB網殼結構的減震效果，研究顯示，FPB能延長結構的自振周期，避免共振現象，進而有效地減弱結構的地震響應。
　　4.新型摩擦擺支座研究
　　基于摩擦系數影響規(guī)律，設計了一種變摩擦-摩擦擺支座（VF-FPB），通過理論和數值方法對算例進行分析，討論了此種支座的

7、減震機理和減震效果，結果顯示，VF-FPB具有良好的自適應特性，減震效果比傳統FPB更顯著。針對大跨度空間結構，設計了一種球-柱面摩擦支座（SCSFB），并通過理論和數值分析研究了應用此種支座網殼結構的減震效果，研究表明，與傳統FPB結構相比，SCSFB能更有效地減弱網殼結構的地震響應。在SCSFB基礎上，結合變摩擦思想，提出了一種新型變摩擦-球柱面摩擦支座（VF-SCFB），通過理論和數值分析驗證了此種支座具有良好的減震性能，且減震效

8、果優(yōu)于SCSFB。
　　5.摩擦擺支座網殼結構抗震設計研究
　　給出了應用FPB單層球面網殼結構抗震設計建議。在此基礎上，研究了FPB布置方式和安裝位置對FPB網殼結構減震效果的影響規(guī)律。首先，提出了FPB初始設計角度的概念，當初始設計角度小于15度時，FPB不僅能夠提高網殼結構靜力性能，而且不影響結構的減震效果。其次，設計了三種不同布置方式，并研究了三種不同布置方式對網殼結構力學性能的影響，得出抗震設計時FPB布置方式一較