减震结构动力抗震性能评价指标与统一设计方法研究

减震结构在近年已得到广泛应用，在减震控制设计理论上，开发实用高效的减震设计方法，实现减震耗能装置的工作效率的提升，达到结构性能要求和经济性的有效结合是目前研究工作的主要内容之一。本项目首先提出了用于弹塑性结构减震设计的基本框架，以钢筋混凝土结构和钢结构采用滞回型阻尼器进行减震控制情况为例，研究了单自由度结构体系的动力特征参数随阻尼器参数的变化规律，提出了弹塑性减震结构体系的性能曲线方法，建立了多层弹塑性结构的阻尼器参数的分配方法，并对有多种参数分布的结构模型实施了大量的时程分析，验证了所提出的减震设计方法的有效性。该方法还可推广至其他类型的主体结构和其他类型的耗能阻尼器的组合，方法简单易行，具有很好的工程应用价值。其次，本项目重点研究了近场脉冲型地震动的反应谱阻尼调整系数。通过量化评价指标选取了50条脉冲型地震动，对其反应谱的阻尼调整系数进行了统计分析。通过对比发现脉冲型地震动的脉冲周期对阻尼调整系数有重要影响，考虑脉冲周期影响的阻尼调整系数表现出更小的离散性。基于该结果本项目提出了考虑脉冲周期的阻尼调整系数，并对中国抗震规范的阻尼调整系数的可靠度进行了评价。发现在小阻尼比时，规范值与所选地震动阻尼调整系数平均值接近，在高阻尼比时，在脉冲周期附近区域规范值较为保守，在相对短周期区域，规范值可靠度较低，存在过高估计阻尼减震效果的风险。通过此研究，建议在进行针对脉冲型地震动的减震设计时，充分考虑地震震级、脉冲周期和阻尼减震效果的综合影响。 2100433B

本研究以非线性粘滞单元为基础，提出一个可模拟各类阻尼器的位移相关性和速度相关性的统一的力学模型,并以此模型为基础，建立一种用于非线性结构的统一的减震设计和动力抗震性能评价方法。统一力学模型的建立可简化各类耗能构件的力学描述，整合各种阻尼器的减震设计方法，促进设计人员对减震结构的理解和运用能力。提出的非线性结构减震设计方法，通过对弹塑性结构的等价刚度的调节，可得到优化的满足弹塑性目标变形角的耗能构件设计值。由于减震结构的耗能作用是在动力反应中实现，而使结构的位移和加速度反应得到控制，因此本研究在结构的抗震性能指标中引入地震荷载水准的概念，将结构的抗震性能与地震荷载水准相关联，提出一个包含结构强度，变形能力，地震荷载水准等因素的结构的动力抗震性能指标。最后通过大量数值分析找到满足减震结构设计需要的目标动力抗震性能指标，为减震结构的设计或相应规范的形成提供量化的参考依据。

在钢结构连接节点设计中，柱脚是一个关键部位。柱脚的作用是将钢柱的下端固定于钢筋混凝土基础或基础梁，并将柱身所受的内力传递给基础。柱脚的受力性能对结构整体性有着直接的影响。本项目拟采用试验和有限元模拟分析相结合，开展钢柱脚抗震性能及设计方法研究。通过对钢柱脚试件的加载试验和有限元模拟，揭示在不同轴压与模拟地震往复水平加载下组合钢柱脚的受力机理、破坏模式、承载能力和变形特性。通过参数分析，研究轴压比、锚栓布置以及底板厚度等对钢柱脚抗震性能的影响规律。通过归纳分析试验和有限元模拟结果，提出钢柱脚的承载力、刚度的设计计算方法和公式，以及可用于整体结构分析的简化计算模型。通过典型钢框架结构的地震响应全过程数值模拟分析，研究钢柱脚的延性和变形的需求，提出确保钢柱脚抗震性能的构造要求与构造措施建议。本项目研究成果可以进一步完善钢结构抗震设计理论，并为提高钢结构建筑的地震安全提供技术保障。

1976年唐山及2008年汶川发生的强震造成了巨大的人员伤亡和财产损失，本项目针对城镇多层及低层建筑结构，提出一种新型建筑减震体系即非固结减震结构体系的设想，针对该减震结构体系开展了地震作用下非固结减震结构的空间动力模型及损伤机理研究工作，主要研究工作内容和取得的研究成果包括：①针对非固结减震体系提出一种锥形非固结减震装置，对装置的关键参数坡度角及聚氨酯高阻尼材料复合减震层开展研究，设计并加工不同坡度角和减震层为氯丁橡胶、丁基橡胶、聚四氟乙烯等的锥形非固结隔震支座，对不同参数的支座进行水平力学性能试验，研究坡度角、阻尼材料类型、阻尼材料厚度、加载振幅、加载频率及高应力等对支座力学性能的影响，试验结果表明非固结支座在多因素影响下具有稳定的力学性能，得到了不同坡度角、减震层材料支座的耗能能力及各种因素的影响规律。②基于不同坡度角非固结支座静力试验滞回曲线，采用ABAQUS软件进行支座三维模拟，采用超弹性力学模型系统地开展非固结混凝土承台与聚氨酯高阻尼材料复合减震层的本构关系及弹塑性滞回性能研究，对支座的运动过程进行数值模拟，提出支座受力位移三阶段的运动状态，基于三阶段的运动状态提出考虑压应力/应变/频率等多因素效应的支座恢复力骨架曲线公式及简化模型。③对采用非固结锥形隔震支座的缩尺1:4钢框架结构模型进行了水平和竖向单向地震波输入下的振动台试验。通过输入不同类型的地震波分析上部结构和锥形支座的地震反应。试验结果表明，在8度和9度罕遇地震作用下，上部结构的加速度峰值比输入加速度峰值增加10%-50%，与普通抗震结构相比具有较理想的减震效果。采用有限元软件建模分析大震下非固结减震结构的动力响应，数值模型的地震响应与振动台试验实测曲线较吻合，试验与数值分析结果一致性良好。④基于锥形非固结支座的几何特性，分析了非固结支座在地震作用下的冲击效应，探讨了冲击效应在不同地震烈度、不同场地波下对结构响应的影响。采用有限元软件模拟非固结隔震结构的地震响应，结合振动台试验结果分析结构的冲击效应，划分两种冲击状态并定义了冲击放大系数，建立了非固结减震结构冲击效应的判定标准。⑤针对锥形非固结支座不能承受拉力的特点，研究了罕遇地震下结构的抗倾覆可靠性，提出了三种非固结结构高宽比限值计算方法，分析不同烈度区、不同场地条件下结构的高宽比限值，给出了非固结隔震结构的抗倾覆验算的计算依据。 2100433B

第1章 引论

1.1 结构地震控制

1.2 黏滞阻尼器构造和力学特性

1.3 黏滞阻尼减震的基本原理

1.4 结构减震的发展现状

第2章 减震结构的时程分析法

2.1 单自由度结构时程分析

2.2 多自由度结构时程分析

2.3 黏滞阻尼减震结构的扭转分析

2.4 减震结构的三维有限元分析

2.5 非线性黏滞阻尼的线性化

第3章 减震结构的反应谱分析法

3.1 反应谱

3.2 应用规范反应谱计算减震结构存在的问题

3.3 多反应谱法计算减震结构

3.4 考虑扭转耦联的振型分解反应谱法

3.5 减震结构的复模态

第4章 减震结构的性能分析

4.1 黏滞阻尼器各参数的相互关系

4.2 减震结构的位移变化

4.3 减震结构的速度变化

4.4 减震结构的加速度变化

4.5 黏滞阻尼器用于结构抗扭

第5章 减震结构的设计方法

5.1 减震结构抗震设计基本方法

5.2 单自由度减震结构设计方法

5.3 多自由度减震结构设计方法

5.4 直接基于位移的减震结构设计方法

5.5 减震结构的能量设计方法

第6章 工程算例

6.1 算例一：北京展览馆

6.2 算例二：某12层框架

6.3 算例三：某3层框架

6.4 算例四：某新建5层框架

6.5 算例五：北京银泰中心

参考文献

后记2100433B