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作者：谭金宝宁夏大学

学位级别：硕士

近几十年来国内外发生的强震造成了大量的房屋倒塌和人员伤亡,提高结构的抗震性能仍是工程界关注的焦点。作为新型结构体系的典型代表,大底盘双塔楼结构因体型的不规则性导致其在地震作用下具有复杂的力学性能。作为提升工程韧性抗震能... 详细信息

近几十年来国内外发生的强震造成了大量的房屋倒塌和人员伤亡,提高结构的抗震性能仍是工程界关注的焦点。作为新型结构体系的典型代表,大底盘双塔楼结构因体型的不规则性导致其在地震作用下具有复杂的力学性能。作为提升工程韧性抗震能力的重要一环,大底盘双塔楼结构需满足“韧性城乡”建设的要求。因此,研究大底盘塔楼结构在未来可能遭遇到的罕遇及极罕遇地震动作用下的抗震性能及损伤模式尤为重要。结构地震易损性作为工程结构震前预测、震后损伤评估的重要手段,是结构基于性能的抗震设计中的重要一环。本文针对大底盘双塔楼结构,基于ABAQUS分析平台,建立了复合被动控制方案和层间隔震方案大底盘双塔楼结构有限元模型,首先验证了等效单自由度层剪切模型最优控制参数的合理性和适用性,然后分别对其进行基于增量动力分析方法的地震易损性分析,从而获得结构在不同性能水准下的超越概率,从概率的角度对两种控制方案下的大底盘双塔楼结构的抗震性能做了比较,给出不同控制方案下大底盘双塔楼结构的破坏规律和损伤模式。研究表明:相比较于层间隔震方案,复合被动控制方案对于大底盘双塔楼结构的控制效果更优,结构整体的抗震性能得到进一步提高。复合被动控制方案为大底盘多塔楼此类结构韧性抗震能力的提升提供了一种新的选择。本文就大底盘双塔楼结构的地震易损性,进行了如下工作:（1）简要介绍了课题的研究背景及研究意义;对大底盘双塔楼结构、复合被动控制、增量动力分析（IDA）、地震易损性分析在国内外的研究现状和发展动态进行了综述;提出了本文的主要研究内容。（2）简要介绍了 ABAQUS常用单元类型的划分与选择,梁、柱均采用考虑横向剪切的Beam单元模拟;楼板和剪力墙均采用Shell（壳）单元模拟;详细介绍了 ABAQUS常用的几种材料本构模型及其适用性;依据我国设计规范,基于ABAQUS和ETABS有限元分析平台分别建立大底盘双塔楼结构模型并进行模态分析,通过对比两种不同有限元软件所得到的结构前10阶自振周期,验证了本文所建立的有限元模型的有效性和合理性。（3）根据大底盘双塔楼结构等效单自由度层剪切模型给出了耗能阻尼器的最优控制参数,并基于ABAQUS有限元分析软件验证了耗能阻尼器最优控制参数在不同结构算例的合理性和适用性。最后通过比较不同阻尼器数量及布置位置,给出了复合被动控制下大底盘双塔楼结构耗能阻尼器最优控制效果的一般规律。（4）简要阐述了增量动力分析方法的基本原理,介绍了地震动记录选取、地震动强度指标和结构损伤参数选择等关键问题;依据我国《建筑隔震设计标准》定义了复合被动控制下大底盘双塔楼结构的损伤极限状态;以峰值地面加速度为地震动强度指标,最大层间位移角θmax和隔震支座最大水平位移μmax作为结构上部塔楼、下部裙楼和隔震支座的工程需求参数,依据所选取的11条地震动记录对算例结构进行增量动力分析,并绘制IDA曲线及16%、50%、84%分位数曲线;基于IDA结果对结构进行地震易损性分析,分别绘制层间隔震方案大底盘双塔楼结构和复合被动控制方案大底盘双塔楼结构的地震易损性曲线;对比分析了两种控制方案下结构在不同强度地震作用下的抗震性能,给出两种控制方案下大底盘双塔楼结构的破坏模式和损伤规律。

关键词：大底盘双塔楼结构复合被动控制最优控制参数增量动力分析地震易损性

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基于Maxwell模型的大底盘双塔楼复合被动控制

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工业建筑 2022年第8期52卷 119-126页

作者：张尚荣刘欣雨李仕浩谭金宝吕欢宁夏大学土木与水利工程学院银川750021

将层间隔震与塔楼减震的复合被动控制方案用于大底盘双塔楼结构,以结构振动总能量最小为优化控制目标,推导结构的随机响应表达式,基于Kanai-Tajimi谱随机地震动模型,在等效单自由度简化模型中分析得到最优控制参数以及连接控制参数对控... 详细信息

将层间隔震与塔楼减震的复合被动控制方案用于大底盘双塔楼结构,以结构振动总能量最小为优化控制目标,推导结构的随机响应表达式,基于Kanai-Tajimi谱随机地震动模型,在等效单自由度简化模型中分析得到最优控制参数以及连接控制参数对控制效果的影响规律,将此参数用于大底盘双塔楼多自由度结构,分别从时域和频域角度对结构响应的控制效果进行分析,通过对比分析抗震方案、隔震方案以及隔减震复合被动控制方案对结构响应的控制情况,验证复合被动控制方案用于大底盘双塔楼结构的合理性和有效性。结果表明:隔震方案与隔减震复合被动控制方案对大底盘双塔结构的能量及位移响应都能起到良好的控制效果,且复合被动控制方案的控制效果更好。

关键词：大底盘双塔楼 Maxwell模型复合被动控制地震激励

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地震作用下大底盘双塔楼复合被动控制研究

地震作用下大底盘双塔楼复合被动控制研究

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作者：胡宇琛宁夏大学

学位级别：硕士

当前建设抗震韧性城市势在必行,以及城市建设用地的合理规划使用和人们对创新型、实用型和功能型建筑体系的需要,大底盘双塔楼结构大量涌现。对于大底盘双塔楼结构,由于塔楼局部体型缩进,竖向刚度突变,容易形成对抗震不利的不规则结构,... 详细信息

当前建设抗震韧性城市势在必行,以及城市建设用地的合理规划使用和人们对创新型、实用型和功能型建筑体系的需要,大底盘双塔楼结构大量涌现。对于大底盘双塔楼结构,由于塔楼局部体型缩进,竖向刚度突变,容易形成对抗震不利的不规则结构,同时由于塔楼运动相互独立,易形成大底盘裙楼的扭转变形。将“隔震”和“相邻塔楼间减震”的复合被动控制方案用于大底盘双塔楼结构,可以利用相邻塔楼间的相互运动耗散能量,不仅具有更好的减震效果,还可以有效改善因采用隔震方案而产生的响应放大现象,因此,大底盘双塔楼复合被动控制具有重要的研究与现实意义。本文综合应用了理论分析,利用MATLAB软件进行数值模拟以及利用ETABS有限元分析验证等手段,对以下几个方面进行了研究:（1）对大底盘双塔楼建立多自由度层剪切模型,相邻塔楼之间利用Kelvin模型进行连接,利用达朗贝尔原理推导体系在地震激励下的运动方程。同时为简化多自由度系统产生的大量方程迭代求解,利用多自由度体系沿高度方向的侧向变形向量,将大底盘双塔楼简化为单自由度体系,并通过对三种不同结构进行振动模态论证和时程响应对比,证明了模型等效的合理性。（2）对等效后的单自由度体系进行随机参数-动力特性灵敏度研究,以结构整体振动总能量最小为优化目标函数,分析被动控制装置性能参数（即被动控制装置的阻尼系数和刚度系数）对结构振动总能量的影响规律,并求得被动控制装置的最优性能参数。结果表明,Kelvin-Viogt模型的加入一定程度上减小了大底盘双塔楼结构的振动总能量均方差;Kelvin-Viogt模型阻尼系数对振动总能量均方差影响较大,相较而言,刚度系数对振动总能量均方差灵敏度特性较差。且使各子结构振动总能量均方差最小的最优值不同,但存在一个最优值使结构总体控制效果最佳,实际工程中,最优参数的选取可根据结构的权重系数决定。（3）利用MATLAB编程软件进行模拟计算,基于分析得到的最小振动能量控制点的最优参数,进一步对相邻塔楼间被动控制装置的布置位置和布置数量进行优化设计。分析发现,当采用一个被动控制装置,且布置在结构顶层时,控制效果最佳,控制效果随布置位置的下降而递减;当布置两个被动控制装置时,最好是布置在结构的顶层和底层,若一个布置在结构顶层,控制效果会随另一个布置位置的升高而递减;且被动控制装置个数不宜过多,过多反而会降低减震效果,工程中可以参考仅将阻尼器布置在大底盘双塔楼结构的顶部,保证减震效果的同时也可兼顾减少造价,据此可以给出最优控制方案中控制单元的分布情况及参数的选择建议。（4）结合对比传统抗震方案和隔震方案,分别从频域和时域角度对结构进行振动控制分析,探讨复合被动控制体系最优控制模型的控制效果及体系各部分的减震率,研究复合被动控制方案的减震效果和表现规律,发现体系峰值位移、峰值加速度、振动能量等均有效减小,分析发现:采用复合被动控制方案不仅不会破坏隔震方案的优势,反而弥补了层间隔震带来的响应放大的缺陷;同时基于大底盘双塔楼单自由度层剪切模型计算得到的被动控制装置优化性能参数同样适用于大底盘双塔楼多自由度层剪切模型。之后利用ETABS有限元软件建立采用隔震方案以及复合被动控制方案3种不同布置方案的四个结构模型,通过模态分析,研究复合被动控制方案对结构自振周期及振型的影响,同时判断结构的运动形式,并利用时程分析研究水平地震动对大底盘双塔楼复合被动控制体系的影响,验证了复合被动控制方案的有效性并再次得到当被动控制装置布置在结构顶部时,对各子结构的控制效果最好的规律;且对于最优控制模型,不同地震波作用下减震效果也不相同,复合被动控制方案相比于层间隔震方案在结构变形较大的情况下减震效果表现得更明显。（5）考虑地震动的随机性,建立单自由度体系状态方程,基于Clough-Penzien谱随机地震动谱模型,将其与大底盘双塔楼隔震结构复合被动控制体系的系统状态方程进行聚合,推导出该体系随机激励下的拓展状态方程,并结合Lyapunov方程求解得到结构随机响应。之后采用一工程算例,从随机振动分析角度,深入探讨塔楼、大底盘裙楼控制前后地震响应的控制效果,以及对大底盘裙楼和塔楼减震率的影响,并对被动控制装置性能参数、布置位置、布置数量进行优化。相对而言,复合被动控制方案对于柔性塔楼约束性较好,可以很好的控制结构响应,控制装置性能参数及布置方案选择合理的情况下,复合被动控制方案对结构的位移响应和绝对加速度响应都有良好的减震效果,再次验证复合被动控制方案的有效性。

关键词：大底盘双塔楼结构复合被动控制 Kelvin-Voigt模型优化参数地震响应

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基于Maxwell模型的大底盘双塔楼复合被动控制研究

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作者：刘欣雨宁夏大学

学位级别：硕士

大底盘双塔楼结构因其造型独特,功能丰富逐渐被推广。它由上部塔楼和下部裙楼两部分组成。由于大底盘顶部塔楼的体型缩进引起楼层刚度突变,且塔楼之间相互独立,会引起对结构抗震不利的竖向不规则结构,易造成大底盘扭转。在多次地震灾害... 详细信息

大底盘双塔楼结构因其造型独特,功能丰富逐渐被推广。它由上部塔楼和下部裙楼两部分组成。由于大底盘顶部塔楼的体型缩进引起楼层刚度突变,且塔楼之间相互独立,会引起对结构抗震不利的竖向不规则结构,易造成大底盘扭转。在多次地震灾害中,其主要表现为刚度突变处破坏严重。采用层间隔震方案的大底盘双塔楼通过隔震层隔开上下部子结构的变形,减小楼层层间位移耦联影响,有效改善了上部塔楼的竖向不规则结构的抗震性能,但存在隔震层下部结构效果差,甚至下部结构控制失效的问题,且在强震或强风情况下可能引起高层隔震结构倾覆失效。而相邻结构间减震控制研究已相对成熟,并已被证明是一种可靠的减震手段,在国内外也得到广泛应用。针对大底盘双塔楼结构体系,若只采用一种控制方案却要同时满足上下部子结构的抗震性能仍存在困难,因此,本文将层间隔震与塔楼减震两种控制方案同时用于大底盘双塔楼结构,通过理论推导、数值模拟以及有限元分析等方法,对这种复合被动控制方案的合理性和有效性进行研究,所做工作如下:（1）针对采用层间隔震和Maxwell型被动控制装置的大底盘双塔楼结构,推导了其在单自由度和多自由度系统下的运动方程,并求得相应系统的传递函数,从而求解得到大底盘双塔楼结构复合被动控制体系的随机响应表达式。（2）基于理论的推导运动方程,通过对等效单自由度简化模型的响应分析,得到连接控制参数对结构控制效果的影响规律,并求出被动控制装置的最优参数,接着将此参数用于某一大底盘双塔楼结构典型实例中,从时域与频域角度对比抗震方案、隔震方案以及复合被动控制方案对结构响应的控制情况,证明复合被动控制方案用于大底盘双塔结构的合理性和有效性。结果表明:零频阻尼系数C0在结构减震中起主要作用,对结构整体以及各子结构振动总能量影响较大;隔震方案与复合被动控制方案对大底盘双塔楼结构的顶层位移响应都能起到良好的控制效果,且复合被动控制方案对结构总体减震控制效果更好。（3）利用Etabs有限元软件,建立大底盘双塔楼抗震结构、隔震结构以及隔-减震复合被动控制结构模型,并对比分析了三种结构在三种不同地震波（EI-Centro、Taft、人工波R1）作用下对地震响应的控制效果,说明了复合被动控制体系对于大底盘双塔楼结构实际工程的有效性,有限元分析中被动控制装置的控制效果规律和数值分析基本一致,证明了复合被动控制体系对于大底盘双塔楼结构在实际工程中的适用性与合理性。

关键词：大底盘双塔楼 Maxwell模型复合被动控制地震激励

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