基于能量的轻钢加层“TMD减震”参数优化研究

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近年来,随着建材工业的发展,在众多的房屋加层技术中,轻钢加层以其独特的技术经济优势,逐渐受到业主的欢迎和工程界的重视。目前国内已有多类利用轻钢结构成功加层的实例,取得了良好的经济效益和社会效益。轻钢结构能够适应加层改造的多方面要求,符合我国的国情、产业政策和可持续发展战略,因此必然会发展成为加层改造的主导方向。 相对于采用传统方法解决建筑物加层中的抗震问题,将现代结构控制技术应用于旧建筑的加层改造是一个新的发展方向。本研究采用在既有结构顶层和轻钢加层结构之间设置一定数量的铅芯橡胶支座连接,将加层改造后的结构拓展成“TMD减震”体系,研究加层结构基于能量的TMD参数优化准则和方法。为了验证该参数优化准则和方法的可行性与合理性,本文针对一工程实例进行了多方法、多工况对比计算分析。主要研究内容和结论如下: 1、研究TMD加层减震体系在改进的Tanai-Tajimi(金井清-田治见宏)模型激励下的随机地震反应解析解,得到减震系统的控制参数(橡胶层的抗侧刚度和阻尼比)与结构反应的关系。在此基础上,以铅芯橡胶层所吸收与耗散的应变能期望值占总应变能期望值的比例最大为目标函数的优化策略,综合考虑结构总应变能期望值数量分布,从理论上推导了参数优化公式,对工程实例进行参数优化: (1) 橡胶层的抗侧刚度对橡胶层应变能期望值占总应变能期望值比例影响较大,而阻尼比对其影响较小。 (2)橡胶层的抗侧刚度对总体应变能期望值影响较小,而橡胶层阻尼比对其的影响较大,当刚度为定值时,总体应变能期望值是橡胶层阻尼比的单调递减函数。 2、采用振型分解反应谱法研究应变能在受控结构(设置铅芯橡胶隔震层的轻钢加层结构)和未受控结构(原结构)各层的应变能分布数量比例,分析结果表明,采用铅芯橡胶隔震层进行轻钢加层,具有较好控制效果。 3、输入同一地震波(EL-Centro波),分别用振型分解反应谱法和时程分析法分析轻钢加层减震结构的地震反应,对比受控结构和未受控结构各层的位移与加速度响应曲线,位移控制效果都十分明显,也比较接近,但加速度反应控制效果相差较大。 4、输入二条天然地震波和一条人工波,运用时程分析法对比受控结构和未受控结构各层的位移与加速度响应,以及各层的最大层间剪、层间位移及动力放大系数。输入不同的地震波记录,减震效果各不同。 5、输入不同类型的典型地震波记录,对受控结构进行能量时程分析,求得受控结构的能量时程曲线;分析地震动三要素及自身动力特性对受控结构能量吸收与耗散的影响。同加层前比较,加层受控后地震输入总能量有所增加,但主要是集中在橡胶层进行耗散,使得主体结构所集中的地震能量反而有所减少。 轻钢加层结合“TMD减震”技术,既满足了加层的需要,又提高了其抗震能力,同时减少或避免了对原结构的加固,不失为两全其美的策略,是值得推广的一种加层技术。
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