悬吊结构体系优化设计及减震性能研究

作     者：兰李 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭平

授予年度：2021年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：悬吊结构体系 减震机理 最优设计参数 阻尼器偏转角 H∞优化准则 阻尼器耗能 

摘      要：悬吊结构体系是一种发展前景较好的新型结构体系。其中,悬挂摆隔震系统是将整个上部结构安装在悬挂摆上,悬吊装置位于楼层中间的研究不多,当悬吊装置设在结构顶部时,类似悬吊摆式调谐质量阻尼器(Pendulum tuned mass damper,PTMD)。现有的PTMD阻尼元件一般采用分离式设计,在实际工程中会产生偏转角。本文对悬吊装置位于结构不同位置时的减震机理进行研究,提出新的优化方法并分析其减震效果,丰富悬吊结构形式。研究了不同结构参数下结构非线性以及阻尼器偏转角对结构-PTMD体系响应的影响并提出优化设计方法,完善PTMD设计中忽视阻尼元件偏转角的问题,为实际工程提供一定的理论基础。主要研究工作及成果包括以下几个方面:(1)采用复模态法对悬吊结构两自由度模型进行动力特性及减震机理分析,通过多质点层间剪切模型的模态及振型参与系数分析,验证了悬吊结构体系简化为两自由度进行分析的可行性。基于能量法,分析悬吊装置位置、摆长以及下部结构周期变化对结构能量响应的影响,进一步解释减震机理。装设一定摆长的悬吊装置,上部结构性能极大改善但下部结构响应可能放大,因此有必要对悬吊结构体系进行优化设计。(2)通过引入权系数α,提出一种综合考虑上下部子结构位移响应的优化方法,并推导了精度高、稳定性好的最优设计参数理论解。对不同权系数下系统参数进行分析,结果表明:最优阻尼比opt？与质量比μ呈正相关关系;最优频率比optf与质量比μ呈负相关关系;且均随α的增大而增大。α从很小值开始,经过优化迭代可使悬吊摆动位移满足线性化要求的前提下,下部结构地震响应最小。(3)随权系数α的增大,悬吊结构体系对上部子结构的控制力度加大。场地更软,下部子结构位移减震率下降更多,而上部子结构位移减震率增加的更少,其上升速度小于下部子结构位移减震率的下降速度。但只要α取值合理,悬吊结构体系能同时有效控制上、下部子结构地震位移响应,此优化目标下对加速度响应仍有一定的控制效果,且对上部结构控制更佳。不同场地条件下上部结构加速度减震率达到50%左右,且随着α的增大而下降。(4)根据阻尼器实际出力情况推导了结构-PTMD体系的运动方程,以Gerges最优参数公式为基础,采用数值求解方法分析不同结构参数下非线性及阻尼器偏转角因素对结构-PTMD体系频域响应的影响。结果表明:以PTMD摆动为研究对象时,PTMD摆角略大于30°、阻尼器偏转角大于7°左右时,阻尼器偏转角不可忽略,且上述临界值随阻尼元件可压缩长度的增大可适当放大;以主结构位移为研究对象时,考虑阻尼器偏转角影响所达到的PTMD摆角以及阻尼器偏转角临界值均可放大一点。(5)基于准则对考虑阻尼器偏转角的非线性PTMD进行优化,更好地发挥了阻尼器的耗能能力。以本文工程结构为例,相比于Gerges参数优化,阻尼器耗能能力提升了将近一半,多遇地震时提升了46.79%,设防地震时提升了46.91%。使主结构响应降低的同时,更多的减小了PTMD的行程,PTMD摆角峰值响应降低了20%以上,且地震输入幅值越大,控制效果相对更优。