RC框架结构NES减震设计研究

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钢筋混凝土框架结构具有整体性好、空间分割便利、自重轻、易于标准化、节约材料等优点被广泛应用于建筑结构中。但近些年,大量的地震灾害调查发现,钢筋混凝土框架结构在地震过程中的震害严重,倒塌率较高,给我国造成了巨大的经济损失和生命伤亡。传统的钢筋混凝土框架结构设计方法都是通过增加结构自身的强度,在地震作用下通过结构自身非重要构件的损坏消耗地震能量,来实现抗震的目的。这种设计方法既不经济、安全性又难以保障,结构抗震的效率低,是一种“刚对刚”的结构抗震设计方法。因此,研究出一种新的钢筋混凝土框架结构抗震设计方法十分有意义。吸振减震技术是一种有效的振动抑制方法,可以有效的减少结构在地震作用下的地震反应。非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink,NES)是一种具有宽频工作频率带宽的吸振减震器,近些年来被广泛应用于振动控制领域。本文将非线性能量阱应用到钢筋混凝土框架结构上,同时提出两种NES减震RC框架结构实用抗震设计方法,并通过振动台试验和有限元模拟的方法验证了所提设计方法的有效性。本文主要研究内容如下:(1)对NES减震器的减震原理和设置NES的钢筋混凝土框架结构动力特性进行分析,推导NES对结构振动抑制作用的动力学方程。NES对结构的减震作用相当于减少了地震动输入到结构中的地震作用力,因此在考虑对结构地震作用折减计算方法的基础上,提出了两种适用于RC框架结构的NES减震设计方法。(2)基于主结构及NES的动力特性,提出了 NES减震器的构造和参数设计方法。并对理论设计的NES减震器进行小型振动台试验和力学特性测定试验,以验证NES理论设计方法的合理性和可行性。(3)为验证所提出的结构抗震设计方法计算地震作用折减程度的准确性,对开启和关闭NES的5层RC框架结构进行有限元时程分析,对比NES开关前后结构最大层间剪力的差值。结果表明:所提出的等效阻尼设计法计算的结构地震作用比较准确,且该方法设计流程方便简洁,可以作为NES减震RC框架结构地震作用计算的通用分析方法;而直接地震影响系数调整法可以作为特殊、不规则建筑的补充分析计算设计方法。(4)对原按8度设防烈度设计的5层普通RC框架结构应用所提出的设计方法进行NES减震设计,制作出实体模型,进行地震模拟振动台试验,观察模型在地震过程中的破坏模式和层间位移指标,验证所提出的NES减震RC框架结构抗震设计方法的有效性。试验发现:NES减震结构的破坏模式主要是梁端产生塑性铰的局部破坏,在经历大震后没有倒塌,符合了现行规范的“强柱弱梁”的设计理念和“大震不倒”的设计水准。同时结构在大震下的层间位移也满足了规范要求,证明经过NES减震设计的结构达到了原8度设防烈度的抗震性能标准,证明所提出的NES减震RC框架结构抗震设计方法有效可行。
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