新型TB复合减振抗震结构理论分析与试验研究

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针对大型或重要建筑防灾减灾、功能性态及集约环保需求,结合传统调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)和防屈曲支撑(Buckling Restrained Brace,BRB)各自优势与不足,提出具有调谐质量减振、金属屈服消能减震的复合结构振动控制技术——调谐质量型防屈曲支撑(Tuned Mass Damper-BucklingRestrained Brace,简称TB)技术。相关技术可用于钢结构、组合结构、混凝土结构、桥梁结构、海洋平台及旧建加固;对保障建筑安全性及功能要求,节约建筑材料和减小建筑终身造价等有实际意义。  先建立TB结构体系动力学方程,然后对其工作机理做了理论分析。时域推导发现,在结构中设置一个倾角α,工作频率ωt的TB/TMD(TB构件中的调谐质量阻尼器)构件,相当于在结构中设置一个工作频率为ωt,质量折减cos2α倍的水平TMD,外加一个工作频率为ωt,质量折减sin2α倍的垂直TMD。满足层模型假设的TB结构均可化为双自由度模型或多自由度模型;与有限元模型相比,这两种计算模型在反应由TB/TMD参数变化引起的结构振动变化规律上,与有限元分析结果相近,但计算量远小于后者。  频域分析显示,摩擦阻尼对TB/TMD减振效果有较大影响,一般情况下,在制作TB的过程中应尽量减少其滑动面的摩擦作用。摩擦阻尼非线性特征较强,但对振子运动影响与黏性阻尼有一定相似性。摩擦阻尼与振子瞬态振幅、工作频率,还有接触面粗糙度等因素有关。结构分析时可将摩擦阻尼等效转换为黏性阻尼,配合振幅迭代法考虑摩擦作用。  提出一种滚动式组合填充钢管构造,配合润滑剂添加,可将TB/TMD滑动摩擦系数降至0.1以下。根据有限元分析和正交试验理论,设计并制作了5个动力、3个静力1∶1试件。动力试验主要是共振试验,考察TB/TMD动力特性;静力试验主要是低周反复拉压试验,主要考察TB/BRB(TB构件中的防屈曲支撑)滞回性能。试验结果显示,滚动式组合填充钢管TB试件,TMD调谐精度高,动力系数大,周期振动特性明显,其BRB性能满足国内外规范对一般BRB性能要求,能够实现对减振抗震功能的“兼顾”。  提出一种针对TB结构(设置有TB构件的结构)的基于性态的设计方法,并以某样例工程为例,采用PKPM设计,SAP2000校核,最后通过ANSYS对TB结构风振和抗震性能做有限元非线性分析。与相同吨位BRB结构相比:风振方面,根据附加阻尼法和风速度时程法计算结果,TB结构最大顶点位移和最大层间位移减小12%~15%,最大加速度减小20%,且对规范规定“无感觉”舒适度性态保证率提高约20%;消能减震方面,根据地震时程分析结果,TB结构最大层间位移角减小0.5%~11%,其中小震条件下最大层间位移角平均减小6.49%,中震3.27%,大震2.59%。本研究暂未发现大震中TB/TMD对结构有明显不利影响。  对普通框架、框架简体、BRB结构和TB结构做基于投资-收益的性态对比分析,发现在相近投资条件下,相较普通框架和BRB框架,TB框架能将结构风振舒适度控制在规范所述“不干扰人正常生活工作”水平,小震下将结构层间位移控制在“不破坏填充墙和设备管道等非结构构件”水平。与框架简体结构相比,TB结构在抗侧构件方面的单位面积材料投资减少22%,抗震性能水平却更优,具有明显的性价比和节约环保优势。  为保障TB结构动力试验顺利进行,提出一种针对大型TB结构的试验模型设计方法,该方法不要求试验模型与原结构在几何形态上高度相似,只要求与原结构在动力特性上保持一定相关性。理论推导和有限元分析表明,利用上述相关性,可通过模型试验预测原结构在对应工况下反应信息。  综上,TB适用于对风敏感结构和高烈度区结构,它能在传统BRB优势基础上进一步提高结构性态水平,且并不以增加材料投入为代价,从而满足“安全、高效、经济、环保”的建筑理念。
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