地震作用下大底盘双塔楼复合被动控制研究

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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。
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