位移型和速度型阻尼器

位移型和速度型阻尼器减震对比研究及优化设计

曲激婷

【摘要】：由于消能减震结构具有减震机理明确、减震效果显著且安全可靠等优点,易于在工程中推广应用,因此,三十多年来,国内外学者对各种消能装置的试验、理论分析和控制设计方法进行了大量研究,并取得了诸多成果,消能减震技术在新建工程和震损建筑减震、加固中的应用形式和范围也越趋广泛。目前,我国《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)中已经增加了有关消能减震的内容,位移型和速度型两类被动阻尼器是其中需要重点研究和推广的技术。对于形式多样、要求各异的工程结构,如何在推广应用消能技术时,选择适合的阻尼器类型并进行阻尼器的合理优化设计将关系到这一技术的发展前景,具有重要的现实意义,值得进一步探讨研究。在此背景下,本文主要进行了以下几个方面的工作: (1)从时程分析的主体—结构着手,提出根据不同结构模型进行阻尼器选型的方法。鉴于层弯剪型模型在弹塑性分析中存在的问题,对刚度矩阵的修正进行了合理地近似处理。根据动力等效准则设计了与层弯剪型模型第一频率和振型相同且各层质量也相同的剪切型结构,编制了不同计算模型结构的弹塑性时程分析程序;在为结构提供相同附加阻尼比的前提下,对弯剪型和剪切型两种不同形式结构在位移型和速度型阻尼器控制下的非线性地震反应分别进行分析比较。数值分析结果表明,对于不同模型的结构,达到相同抗震性能目标下所需位移型阻尼器和速度型阻尼器的数量不同,且两种类型被动阻尼器的减震效果也不同,建议在进行消能减震技术应用时,可以根据确定的结构分析模型形式以及结构空间状况选用适当类型的被动阻尼器进行振动控制,给出可供工程参考的初步结论。(2)提出一种新型的阻尼器位置优化目标函数,可以综合考虑结构安全性和舒适度的要求。在阻尼器数量一定的前提下,利用遗传算法对位移型阻尼器进行位置优化,并对目标函数中不同的加权系数组合进行了初步探讨。在四类不同场地条件下,对低、中、高层三种不同结构进行阻尼器位置优化,并对阻尼器最优布置下的结构时程反应进行分析对比。数值分析表明,根据新型优化函数得到的阻尼器优化布置可以有效地控制结构反应;通过比较不同加权系数组合情况下的阻尼器最优布置方案,给出有关位移型阻尼器优化布置方面的几点建议以供设计、应用参考。(3)提出了阻尼器位置优化的两个评价指标。在阻尼器数量一定的前提下,以遗传算法为手段,利用新型位置优化目标函数,在四类场地条件下,对短、中、长周期三种结构分别进行了位移型和速度型阻尼器的位置优化。对两种类型阻尼器最优布置下的结构非线性地震反应进行数值分析,以本文提出的两个评价指标为性能指标,将不同消能结构的振动控制效果进行量化比较。数值分析表明,不同类型阻尼器在不同结构和场地条件下进行位置优化时,目标函数中的最优系数组合取值各有特点,为工程应用中针对不同类型阻尼器选取适当形式的优化目标函数提供了一定的参考。(4)将基于位移的抗震设计方法应用于新建或震损建筑减震、加固中阻尼器的设计。针对根据已有多自由度体系目标位移公式计算高层、超高层结构的不合理性,提出了一种修正的结构目标位移计算公式,建立了目标位移和结构性能指标之间的关系。以一定设防等级下结构控制部位的目标位移作为已知条件,而将消能减震装置作为未知条件,根据两种类型阻尼器的等效刚度和等效阻尼比公式,通过等效单自由度体系的逆向计算,进行满足相同结构预期性能目标下的不同类型阻尼器参数设计。以一高层钢结构建筑为例的数值分析表明,采用此方法设计的阻尼器能够满足

结构预期的性能目标,设计方法比较简便实用。(5)结合国际上通用的结构振动控制性能评价平台—Benchmark三种结构模型,利用非线性结构振动控制Benchmark评价性能指标,对位移和速度型被动阻尼器的控制效果进行比较分析。将被动控制结构分析同现代控制理论相结合,利用MATLAB/SIMULINK建立了基于位移型和速度型阻尼器的结构仿真模型,分别计算了三种结构模型在近场和远场地震动作用下,不同类型阻尼器对结构反应不同指标的控制效果,为消能结构设计中阻尼器的选用提供了一定的参考。