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钢管混凝土柱-钢连梁耗能墙设计方法及抗震性能试验

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建筑结构学报 2024年第4期45卷 24-37页

作者：兰炳稷何浩祥陈易飞吴山程时涛北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点试验室北京100124

针对多高层钢框架结构中的钢筋混凝土抗侧力墙体在地震作用下损伤集中、材料利用率低、延性及耗能效果均不理想的问题,提出一种钢管混凝土柱-钢连梁耗能墙,并优选出强柱弱梁型墙体与强梁弱柱型墙体两种墙体构造形式,推导了两类墙体的构... 详细信息

针对多高层钢框架结构中的钢筋混凝土抗侧力墙体在地震作用下损伤集中、材料利用率低、延性及耗能效果均不理想的问题,提出一种钢管混凝土柱-钢连梁耗能墙,并优选出强柱弱梁型墙体与强梁弱柱型墙体两种墙体构造形式,推导了两类墙体的构造条件与关键性能参数理论计算方法,通过试验与有限元模拟相结合的方式对比了两类墙体的抗震性能,同时对提出的设计和性能参数计算理论开展验证。研究结果表明:强柱弱梁型墙体可以实现分布式均匀耗能,其等效黏滞阻尼比系数峰值大于0.3,位移延性系数大于8,其抗震性能显著优于强梁弱柱型墙体的;所提出的墙体设计原则及关键性能参数计算方法具备良好的有效性和准确性。

关键词：耗能墙耗能机制拟静力试验设计方法有限元模拟

局部肘节消能装置的减振机制分析及其优化控制

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建筑结构学报 2022年第7期43卷 32-43页

作者：兰炳稷何浩祥王宝顺北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点试验室北京100124

传统的肘节式位移放大机构可以增大阻尼器变形从而提高结构减振效率,但其需占据较大空间,且相关的基于小变形假设的位移放大系数理论公式不能反映放大系数时变特性,难以实现几何构造优化。为此,提出一种以黏滞阻尼器为阻尼元件的局部肘... 详细信息

传统的肘节式位移放大机构可以增大阻尼器变形从而提高结构减振效率,但其需占据较大空间,且相关的基于小变形假设的位移放大系数理论公式不能反映放大系数时变特性,难以实现几何构造优化。为此,提出一种以黏滞阻尼器为阻尼元件的局部肘节消能装置,其具有占用空间小、布置灵活等特点。基于几何关系推导局部位移放大系数解析解,并对其进行参数分析。分析结果表明:局部凸肘节消能装置的位移放大能力随下连杆与水平面夹角增大而增强,而局部凹肘节消能装置则与之相反;局部凸肘节消能装置的最优下连杆长度与装置高度之比位于[0.7,1.3]区间内,局部凹肘节消能装置的该比值约为0.7。根据改进D值法提出适用于框架结构的局部肘节消能装置层间位移放大系数计算方法。以消能装置在外部激励下最大侧移为基础,给出了针对层间位移放大系数的优化步骤,并通过算例分析验证局部肘节消能装置的可行性和几何优化方法的有效性。采用所提优化方法进行局部肘节消能装置设计,可有效增强其位移放大能力和振动控制效果。

关键词：结构减振肘节式位移放大机构层间位移位移放大系数优化控制

基于时频域解析的并联式单向单颗粒阻尼器减振机理及优化研究

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应用基础与工程科学学报 2023年第1期31卷 236-256页

作者：何浩祥王宝顺兰炳稷程小卫北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点试验室北京100124

现有颗粒阻尼器理论模型及数值分析模型均是基于对颗粒与受控结构振动现象的观测及约束条件而建立,并不能直观且充分地体现其减振机理,并且时域求解过程中各参数耦合关系复杂,计算效率较低.以减振效果良好的并联式单向单颗粒阻尼器(Para... 详细信息

现有颗粒阻尼器理论模型及数值分析模型均是基于对颗粒与受控结构振动现象的观测及约束条件而建立,并不能直观且充分地体现其减振机理,并且时域求解过程中各参数耦合关系复杂,计算效率较低.以减振效果良好的并联式单向单颗粒阻尼器(Parallel Single-Dimensional Single Particle Damper,PSSPD)为研究对象,深入剖析其减振机理,将颗粒与受控结构之间的碰撞力等效为脉冲力,建立力学模型,采用频域和时域结合方法对该模型进行分析并求解,提出动力荷载作用下PSSPD的最优减振参数设计方法,对其进行性能参数分析,并对该方法的准确性进行了验证,同时与时域分析方法的结果进行了对比校验.最后,对PSSPD与TMD的减振机理及性能进行深入对比分析.结果表明:基于时频域解析的PSSPD力学模型能够直观体现其减振机理,精度高且求解过程清晰,参数优化分析方法合理、可行且准确;PSSPD减振频带宽且鲁棒性强,在实际工程减振应用时更具有优势.

关键词：颗粒阻尼器结构控制力学模型减振机理频域解析碰撞优化分析

多阶段屈服及失效型金属套管阻尼器性能试验及分析

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土木工程学报 2022年第12期55卷 36-46页

作者：吴山何浩祥兰炳稷周宏宇北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室北京100124

针对传统金属阻尼器屈服性能单一的不足,提出一种由两种不同高宽比钢条作为耗能构件的金属套管阻尼器,其具有多阶段屈服和失效的特性。采用拟静力试验对其力学性能进行全面研究,验证该阻尼器的多阶段屈服与失效性能,揭示其破坏机制,研... 详细信息

针对传统金属阻尼器屈服性能单一的不足,提出一种由两种不同高宽比钢条作为耗能构件的金属套管阻尼器,其具有多阶段屈服和失效的特性。采用拟静力试验对其力学性能进行全面研究,验证该阻尼器的多阶段屈服与失效性能,揭示其破坏机制,研究其滞回性能、刚度退化性能和耗能能力,以及不同高宽比钢条分别采用低屈服点钢带来的影响。试验结果表明:该阻尼器具有多阶段屈服与破坏特性,且变形能力、耗能性能良好,阻尼器不同部位采用低屈服点钢可以实现不同的功能。建立该阻尼器的有限元模型,模拟结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的正确性。最后,提出其关键性能参数的计算公式,验证三线性模型和Bouc-Wen模型表征该阻尼器的可行性。

关键词：消能减震金属阻尼器多阶段屈服多阶段失效恢复力模型

面向均匀损伤的RC框架结构抗震优化设计方法

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工程力学 2022年

作者：吴山何浩祥兰炳稷北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室

RC框架结构在地震作用下多出现局部楼层损伤明显或抗力不足问题，通过对抗侧力构件性能的合理优化可实现各楼层损伤程度相近的设计效果，消除薄弱层，达到更为理想的均匀损伤分布模式。提出RC框架结构的均匀损伤设计方法，以各楼层损伤...

RC框架结构在地震作用下多出现局部楼层损伤明显或抗力不足问题，通过对抗侧力构件性能的合理优化可实现各楼层损伤程度相近的设计效果，消除薄弱层，达到更为理想的均匀损伤分布模式。提出RC框架结构的均匀损伤设计方法，以各楼层损伤指数相等或相近为优化目标，各层框架柱配筋率为优化变量，通过智能算法与有限元平台协同计算技术，实现RC框架结构均匀损伤优化设计，并采用弹塑性时程分析和IDA方法对优化效果进行验证分析。结果表明，通过智能算法优化框架柱配筋方案可以有效调控结构各层损伤程度，不同地震波作用下结构最优配筋率分布是不完全相同的，并且框架柱的最优配筋率分布也未呈现明显的统计规律，但将不同地震波下优化结果的均值作为框架柱配筋方案可以提高结构抗震能力，该优化方法合理有效。

关键词：

框架-分布摇摆芯筒-核心筒结构体系力学模型及耗能减震性能分析

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振动与冲击 2023年第5期42卷 47-56,91页

作者：陈易飞何浩祥兰炳稷孙澔鼎北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室北京100124

为了提高传统框架-核心筒(frame core tube, FCT)结构的经济性,提出框架-分布芯筒-核心筒(frame-distributed tube-core tube, FDCT)新型高层结构体系,用以减小传统筒体围合面积。进而提出框架-分布摇摆芯筒-核心筒(frame-distributed r... 详细信息

为了提高传统框架-核心筒(frame core tube, FCT)结构的经济性,提出框架-分布芯筒-核心筒(frame-distributed tube-core tube, FDCT)新型高层结构体系,用以减小传统筒体围合面积。进而提出框架-分布摇摆芯筒-核心筒(frame-distributed rocking tube-core tube, FDRCT)新型高层结构体系,改善FDCT因刚度削弱导致的抗震能力下降。根据FCT结构、FDCT结构和FDRCT结构的简化分析模型,基于Lagrange方程建立三种结构的动力方程。通过分析地震下结构的时程响应,针对分布摇摆芯筒的质量进行相关参数分析,证明附加摇摆体系的FDRCT结构具备优良的耗能减震性能。对三种结构分别进行了不同场地条件以及不同类型长周期地震波下动力时程分析,结果表明FDRCT结构在不同类型地震波下均有耗能减震效果,且在长周期地震波下更为优越。对三种结构的性能-利润总值进行评估,结果表明在不同类型地震波下FDRCT结构均可实现既能提升结构的经济性,也能保证结构在地震下的安全性能。

关键词：框架-核心筒结构分布摇摆芯筒层间位移角耗能减震性能-利润总值

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基于粘滞阻尼器的变电构架风振控制

基于粘滞阻尼器的变电构架风振控制

作者：兰炳稷华北水利水电大学

学位级别：硕士

电力资源是重要的人民生活资源与国家战略资源,对人民安居乐业与国家发展有着十分重要的作用,为保证电力资源的高效运输与合理分配,越来越多的输变电项目被建立起来,其中变电构架因其具有高耸,大跨度,大柔度的结构特点,属于典型的风敏结... 详细信息

电力资源是重要的人民生活资源与国家战略资源,对人民安居乐业与国家发展有着十分重要的作用,为保证电力资源的高效运输与合理分配,越来越多的输变电项目被建立起来,其中变电构架因其具有高耸,大跨度,大柔度的结构特点,属于典型的风敏结构,其在动风荷载作用下会出现较大变形,而较大的变形对于输电线路的安全与变电构架本身的安全性都有较为不利的影响,之前的一些研究主要是针对变电构架的风向角与风振系数进行研究,取得了一定成果,本文在之前研究的基础上首次提出运用粘滞阻尼器对结构进行风振控制的思路,意在减少断线情况的发生与保证结构自身安全。本文首先对风荷载的数值模拟,高耸塔架结构风振响应和结构风振控制措施的国内外研究现状进行了综述,随后对本文中要采用的风荷载数值模拟方法与具体模拟细节进行了全面地演示。其次,为研究粘滞阻尼器对大型变电构架的风振控制效果,本文以内蒙古西部一1000kV大型变电构架为例,应用SAP2000有限元软件进行精细结构建模,并基于Matlab软件采用谐波叠加法模拟多段动风荷载的时程样本,将时程荷载加到对应节点处,随后对结构进行了模态分析与动风作用下的风振响应分析,深入讨论了结构的动力特性与结构在45°风向角动风作用下各格构塔响应特点与各格构梁响应特点。再次,本文设计了6种粘滞阻尼器布置方案,以典型节点的位移、加速度为风振控制指标。对比各方案在不同阻尼参数下的风振控制效果,并针对各个布置方案进行阻尼参数分析。结果表明在变电构架下部数层设置粘滞阻尼器并在地线柱与格构梁之间设置粘滞阻尼器的方案,是综合最优方案;且最优方案的风振控制效果对粘滞阻尼器参数比较敏感,控制效果不是随阻尼指数与阻尼系数的增大而线性提高的关系,对应不同的阻尼指数,阻尼系数存在较优值范围。随后演示了最优控制方案选取较优阻尼参数时,结构的风振控制效果。最后,对全文的主要工作进行总结,并得出本文主要结论,结合目前研究现状,对变电构架的风振控制措施做了进一步展望。

关键词： 1000kV变电构架脉动风速模拟结构响应分析粘滞阻尼器风振控制

分级屈服型金属套管阻尼器减震理论与试验研究

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工程力学 2022年第7期39卷 147-157页

作者：吴山何浩祥兰炳稷陈建伟北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室北京100124 华北理工大学建筑工程学院河北唐山063210

传统金属屈服型阻尼器通常只针对中大震设计,在小震下难以发挥耗能减震作用,且存在震后不易观测实用状态和不便更换等不足。为此提出一种新型金属套管阻尼器,利用具有不同屈服性能的钢条分别耗能,具有多级屈服功能。考虑耗能钢条两端半... 详细信息

传统金属屈服型阻尼器通常只针对中大震设计,在小震下难以发挥耗能减震作用,且存在震后不易观测实用状态和不便更换等不足。为此提出一种新型金属套管阻尼器,利用具有不同屈服性能的钢条分别耗能,具有多级屈服功能。考虑耗能钢条两端半刚性节点的影响,推导并得到该阻尼器的性能参数计算公式。对阻尼器进行拟静力试验,明确该阻尼器的破坏特征和耗能机理。对试验进行有限元精细化模拟,通过应力云图验证阻尼器具有多级屈服特性。将理论计算、试验及有限元模拟得到的性能参数进行对比。结果表明,该阻尼器有效实现了分级屈服的设计目标,并具备良好的耗能能力,提出的性能参数计算公式精度较高,通过理论计算和有限元模拟得到的阻尼器性能参数与试验结果吻合较好,验证有限元模型的合理性和精确性。

关键词：金属阻尼器分级屈服拟静力试验力学性能耗能减震

面向多性能目标的广义肘节机构优化设计方法及减震应用

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振动工程学报 2022年第6期35卷 1404-1417页

作者：何浩祥兰炳稷陈易飞吴山北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室北京100124

传统肘节机构需要占用较大使用空间,且目前关于其时变位移放大能力的理论分析并不完备。针对以上的不足,提出广义肘节机构,其占用空间小且布置灵活,传统肘节机构仅为其特例。以广义肘节机构位移增量放大系数变化规律为基础,给出比较广... 详细信息

传统肘节机构需要占用较大使用空间,且目前关于其时变位移放大能力的理论分析并不完备。针对以上的不足,提出广义肘节机构,其占用空间小且布置灵活,传统肘节机构仅为其特例。以广义肘节机构位移增量放大系数变化规律为基础,给出比较广义肘节位移放大能力的标准与简化参数,提出以合理确定肘节侧移量限值为前提的最大化广义肘节机构位移放大能力的几何参数优化方法。阐明广义肘节机构位移放大能力与耗能之间的关系,提出计算广义肘节减震方案附加等效阻尼比的方法,进而结合时变阻尼比与肘节几何优化方法提出面向多级性能设防目标的广义肘节机构减震方案设计方法。通过算例分析验证该设计方法的有效性和可行性。

关键词：广义肘节机构减震方案设计方法位移增量放大系数几何参数优化方法时变阻尼比