【摘要】：巨-子結(jié)構(gòu)控制體系是指巨型結(jié)構(gòu)在其主結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之間設(shè)置控制裝置而形成的一種新型結(jié)構(gòu)體系。近年來,巨-子結(jié)構(gòu)控制體系因其優(yōu)良的減震性能而成為眾多學(xué)者研究的焦點(diǎn)。但是,目前對(duì)于巨-子結(jié)構(gòu)控制體系的研究中還存在許多亟需解決的問題。比如,結(jié)構(gòu)體系的減震機(jī)理及參數(shù)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)體系的破壞模式及該體系可靠度和靈敏度的研究等問題。本文充分借鑒巨-子結(jié)構(gòu)控制體系已有的研究成果,對(duì)結(jié)構(gòu)體系的減震機(jī)理、參數(shù)優(yōu)化、能量響應(yīng)分析、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及搖擺性能對(duì)結(jié)構(gòu)體系的影響以及巨-子結(jié)構(gòu)控制體系的可靠度、靈敏度和易損性進(jìn)行了理論分析,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,主要研究工作及成果包括如下幾個(gè)方面:(1)研究了巨-子結(jié)構(gòu)控制體系中當(dāng)子結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間的質(zhì)量比由小到大時(shí)其相應(yīng)的減震機(jī)理。研究表明巨-子結(jié)構(gòu)控制體系的減震機(jī)理為:當(dāng)子結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比較小時(shí)表現(xiàn)為TMD調(diào)諧,質(zhì)量比較大時(shí)表現(xiàn)為基礎(chǔ)隔震,中間區(qū)域?yàn)閷娱g隔震,這與以往認(rèn)為巨-子結(jié)構(gòu)控制體系減震機(jī)理是調(diào)諧起控制作用不同。并從能量的角度進(jìn)一步解釋了巨-子結(jié)構(gòu)控制體系的減震機(jī)理。最后,通過HHT變換得出巨-子結(jié)構(gòu)控制體系的邊際譜強(qiáng)度,從能量方面證明巨-子結(jié)構(gòu)控制體系在減震方面的有效性。(2)分析了巨-子結(jié)構(gòu)調(diào)諧體系以及巨-子結(jié)構(gòu)層間隔震體系的參數(shù)優(yōu)化問題。在此基礎(chǔ)上,建立了多自由度巨-子結(jié)構(gòu)控制體系的運(yùn)動(dòng)方程,研究了減震子結(jié)構(gòu)的位置及數(shù)量對(duì)最優(yōu)參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明:減震子結(jié)構(gòu)的布置位置對(duì)子結(jié)構(gòu)的最優(yōu)頻率比影響較小,而對(duì)子結(jié)構(gòu)的最優(yōu)阻尼比影響較大,減震子結(jié)構(gòu)的數(shù)量對(duì)子結(jié)構(gòu)的最優(yōu)頻率比和最優(yōu)阻尼比均產(chǎn)生較大影響。最后,在最優(yōu)參數(shù)的基礎(chǔ)上,從隨機(jī)譜分析、時(shí)程分析等角度研究了巨-子結(jié)構(gòu)控制體系的減震效果。(3)采用串聯(lián)剛片系模型,研究了巨-子結(jié)構(gòu)控制體系的偏心參數(shù)對(duì)巨-子結(jié)構(gòu)控制體系地震響應(yīng)的影響規(guī)律。偏心參數(shù)主要包括:主結(jié)構(gòu)的偏心率、轉(zhuǎn)側(cè)剛度比以及子結(jié)構(gòu)的偏心率和轉(zhuǎn)側(cè)頻率比。研究結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)的偏心參數(shù)不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的側(cè)向地震動(dòng)響應(yīng)還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)向地震動(dòng)響應(yīng),且隨著偏心參數(shù)的變化,結(jié)構(gòu)的響應(yīng)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。通過推導(dǎo)考慮搖擺時(shí)巨-子結(jié)構(gòu)隔震體系的運(yùn)動(dòng)方程,運(yùn)用均勻調(diào)制單點(diǎn)激勵(lì)非平穩(wěn)隨機(jī)響應(yīng)的虛擬激勵(lì)法得出結(jié)構(gòu)響應(yīng)的譜密度及其時(shí)變方差,并用MATLAB編制相關(guān)程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)果表明:存在一個(gè)界限剛度比1?,當(dāng)剛度比小于1?時(shí),考慮搖擺時(shí)隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)較普通隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)相比變化明顯,當(dāng)剛度比大于1?時(shí),考慮搖擺時(shí)隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與普通隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)基本吻合。(4)基于隨機(jī)振動(dòng)的首次超越破壞準(zhǔn)則,分析了結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力可靠度的計(jì)算方法�？紤]地震激勵(lì)為隨機(jī),結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)時(shí)分析了結(jié)構(gòu)的隨機(jī)參數(shù)對(duì)巨-子結(jié)構(gòu)控制體系的層間位移角的可靠性靈敏度。另外,根據(jù)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)信息,分析了結(jié)構(gòu)的響應(yīng)對(duì)各參數(shù)的靈敏度情況。從理論上給出了巨-子結(jié)構(gòu)控制體系在做研究時(shí),常采用質(zhì)量比、頻率比、阻尼比這幾個(gè)變量的原因。最后,考慮巨-子結(jié)構(gòu)控制體系自身的隨機(jī)參數(shù),采用概率密度演化方法給出結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的概率密度演化過程,利用概率密度演化方法對(duì)隨機(jī)巨-子結(jié)構(gòu)控制體系的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析和預(yù)測。(5)考慮近場與遠(yuǎn)場地震動(dòng)的不確定性,采用增量動(dòng)力分析的方法(IDA)對(duì)比分析了傳統(tǒng)巨-子結(jié)構(gòu)抗震體系和巨-子結(jié)構(gòu)控制體系在近、遠(yuǎn)場地震作用下的地震易損性。其次,考慮地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的不確定性,以中心復(fù)合設(shè)計(jì)方法建立地震動(dòng)-巨子結(jié)構(gòu)控制體系樣本,對(duì)系統(tǒng)樣本模型進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析,建立了巨-子結(jié)構(gòu)控制體系各結(jié)構(gòu)的響應(yīng)面模型,在此基礎(chǔ)上采用蒙特卡洛模擬獲得易損性曲線。研究結(jié)果表明:近場地震作用下巨-子結(jié)構(gòu)控制體系的失效概率大于遠(yuǎn)場地震作用下的失效概率,且在輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞狀態(tài)中,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效主要由子結(jié)構(gòu)控制,在同時(shí)考慮子結(jié)構(gòu)的倒塌破壞狀態(tài)中,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效由隔震層的失效控制。(6)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),制作了三個(gè)不同的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?抗震結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)、隔震-底部固結(jié)結(jié)構(gòu)。通過施加不同的荷載工況,對(duì)比分析了抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)以及隔震-底部固結(jié)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明:隔震體系以及隔震-底部固結(jié)結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)要小于抗震結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng),達(dá)到了預(yù)期的效果。(7)利用大型有限元分析軟件SAP2000建立了抗震結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)以及隔震-底部固結(jié)結(jié)構(gòu)的理論分析模型,以臺(tái)面實(shí)測的地震波作為輸入對(duì)各個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了非線性時(shí)程分析,對(duì)不同結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力特性、加速度反應(yīng)、主結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)、子結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)以及隔震層的層位移等進(jìn)行了對(duì)比分析,并與振動(dòng)臺(tái)實(shí)測的結(jié)果做了對(duì)比,結(jié)果表明:理論分析與試驗(yàn)結(jié)果所得數(shù)值大致吻合,說明了本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU352.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2534448