基础隔震结构基于能量平衡的地震响应预测与优化设计方法研究

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隔震体系与技术作为结构被动控制的有效方法,目前已广泛应用于工程实践,其抗震性能与减震效果已在多次地震灾害中得到检验。在上部结构与下部基础结构之间设置由叠层橡胶支座和消能阻尼器组成的基础隔震层是结构的一种有效隔震方式。国内外学者对附加阻尼器结构的优化设计方法进行了大量研究。然而,现有的优化设计法或仅关注位移等单一响应,或需借助动力时程分析,尚缺少一种针对隔震层设置阻尼器的基础隔震结构易于设计人员计算使用的优化设计方法。能量设计方法是一种着眼于地震能量输入与耗散的设计理论方法。该法将建筑结构在地震下的响应过程利用能量平衡方程描述,能够更加全面地反映结构地震响应的过程与本质。由于在能量原理下,阻尼器的作用在于吸收并耗散地震能量,由此减小主体结构在地震下的响应,因此在能量设计方法的基础上发展优化设计方法具有可行性与理论优势。本文基于能量原理,针对隔震层附加黏滞阻尼器、附加滞回型阻尼器以及同时附加两类阻尼器的基础隔震结构分别建立了能量平衡方程,分别研究并提出了这三类结构的地震响应预测方法,在此基础上提出了一种基于隔震层位移与剪力设计侧重需求确定阻尼器参数的优化设计方法。本文主要研究内容如下:(1)针对隔震层附加黏滞阻尼器基础隔震结构,研究了地震等效激振频率对结构地震响应预测的影响,提出了相应经验公式。在最大响应发生时刻能量平衡方程的基础上提出考虑地震等效激振频率影响的地震响应预测法,并进一步提出基于地震结束时刻能量平衡方程的简易预测方法。(2)基于求解响应比组合函数极小值的设计原则,利用隔震层位移响应比与总剪力响应比的线性组合构建优化设计目标函数,针对隔震层附加黏滞阻尼器基础隔震结构提出基于位移与剪力设计侧重需求的优化设计方法,分析了四种典型目标下的隔震层响应特性,并给出相应设计流程。(3)针对隔震层附加滞回型阻尼器基础隔震结构,研究了滞回型阻尼器等价往复滞回次数降低对结构地震响应预测的影响,基于等价往复滞回次数经验公式的变形形式提出考虑等价往复滞回次数降低的地震响应预测法,推导了相应预测公式。(4)针对隔震层附加滞回型阻尼器基础隔震结构利用所提优化设计目标函数建立了基于位移与剪力设计侧重需求的优化设计方法,并给出相应设计流程。(5)针对隔震层同时附加黏滞阻尼器和滞回型阻尼器的基础隔震结构,基于滞回型阻尼器等效阻尼比不变的假设推导了地震响应预测式,提出考虑地震等效激振频率的地震响应预测法。(6)为进一步优化结构响应并避免滞回型阻尼器阻尼量较大时减震效率降低的问题,提出一种隔震层同时附加黏滞阻尼器和滞回型阻尼器的位移等效优化设计方法,并给出设计流程。本文利用非线性动力时程分析对所提出的基础隔震结构地震响应预测方法进行了评估,使用设计实例对优化设计方法的可行性进行了验证。研究结果表明,本文提出的预测法可作为具有较好的准确性及安全性的响应评价及验算方法;设计法优化了基础隔震结构隔震层位移与剪力响应,设计流程简单且适合手算,是一种高效的隔震层附加消能阻尼器优化设计方法。
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