设置粘滞阻尼器大跨度桁架结构的研究分析

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1、设置粘滞阻尼器大跨度桁架结构的研究分析第一章绪论1.1引言近50年来，大跨度空间结构飞速发展，尤其是近些年来，因为新材料和新技术的普遍应用，其空间的结构形式也变得多姿多彩。对于一个国家而言，其大跨度建筑的构造能力直接反映了自身空间结构科技水平的高低。其中钢桁架结构以其美丽的外观、合理的力学性能和优越的经济性渐渐获得世界各国建筑和结构工程师的青睐，并且已广泛应用于现代工业厂房，体育馆，展览厅，大厅，候机楼，车站，办公楼，商业建筑，酒店和其他建筑。钢管桁架的抗震性能由于其空间受力特性，相比于其它建筑结构存在一些优势，但地震作用下一些钢管桁架发生破坏的例子也确实客观存在。因而，

2、当前迫在眉睫的设计需要，是如何处理好大跨空间的消能减震。如果能够很好的在设计过程中考虑结构的地震消能，就可以让地震力对结构的作用得到削弱，进而将空间结构在地震作用下产生的危害降到最低。中国是一个多地震国家，地震区域广、频率高、震源浅、强度大，震区范围内的建筑物和工程设施大多有着较低的抗震能力。近年来的多次地震灾害已经给我国带来了巨大的生命、财产损失。就在2010年4月14日晨青海省玉树县接连发生两次地震，最高震级达7.1级，地震震中处于县城附近。该地震造成了数千人遇难，数百人失踪，不仅普通民房大量坍塌，部分公路桥梁倒塌，大量基础设施遭到破坏，连医院和学校等在抗震设计中要求

3、严格的公共建筑也产生了非常严重的损坏。这次地震后，大量结构设计人员都开始研究如何确保和提高建筑物的抗震受力性能。..1.2结构振动控制理论美籍华裔学者J.T.P．Yao[2]（姚治平）于1972年将当代控制理论应用于建筑结构，第一个提出了结构振动控制的理念，为解决工程抗震问题开拓了新途径，确立了工程结构振动控制研究的开始。近些年来，在结构控制理论的发展和实际应用方面，国内外许多相关学者都在该领域取得了十分丰硕的成果。这种理论的概念可简单描述如下：在建筑结构的特定部位安装某种设备(隔震垫)或某种机构(粘滞阻尼器)或某种子结构(调频质量)或增加外力(外部能量输入)或调整结构的

4、动力特性，使建筑结构的动力响应在地震作用下取得合理的控制，保证结构自身及结构中的人员仪器设备的安全和处于正常的使用状态。这些研究成果在防震减灾领域内成为了一个非常有前景的研究方向。被动控制技术[3-15]是一种无源控制的方法，包含基础隔震、耗能减震、吸震减震等。其实现的方式在结构中装备某些特殊装置比如隔离地震的装置，来对结构整体的动力特性进行调整和改变，从而使得地震作用下对应的结构动力反应可以得到合理的控制。(1)基础隔震：为了阻隔地震能量向上传输，可以在建筑结构底部设立水平柔性的隔震装置，从而可以软化结构，降低其刚度，进一步增加结构的自振周期，减小甚至避免地震破坏。主要

5、的形式有柔性桩基（或桥墩），橡胶垫块、和支座产品，如滚轴支座及钢筋混凝土短柱支座等。该方法使得地震反应对上部建筑物的作用得到明显削弱，从而可以保障主体结构及其内部设备的安全有效，建筑物自身的抗震性能得到显著提高。我国的基础隔震技术起步晚，水平落后，同时该方法复杂的安装技术和高昂的设备造价也限制了该方法的推广应用。基础隔震示意图如图1.1所示。..第二章粘滞阻尼器的相关理论和抗震分析方法2.1粘滞阻尼器的有关性能粘滞阻尼器[37]运用了流体运动学的相关知识，在流体通过节流孔的时候会有粘性阻力产生。对于这种类型的阻尼器而言，它是没有刚度的，通常是与速度有关联的。粘滞阻尼器通常

6、由导杆、活塞、粘滞流体和缸筒等组成,一些普遍的粘滞阻尼器如图2.1。目前已成功研制的粘滞阻尼器根据阻尼力产生的相关原理，可以分成缸式粘滞阻尼器、粘滞阻尼墙以及圆筒式粘滞阻尼器三种。典型的粘滞阻尼墙是由内、外钢板以及处于钢板之间的粘滞液体三个部分组成，如图2,2所示。其中内部钢板被安装在上层楼面，而两块外部钢板被安装在下层楼面,内、外钢板之间填充高粘滞阻尼材料（比如高分子聚合物）。在实际工程中我们经常会设置防火材料的保护墙或钢筋混凝土于粘滞阻尼墙的外部。在风荷载或者地震作用下，楼层会产生层间位移从而使内钢板和外钢板产生相对运动，这时粘滞流体会被剪切，产生剪切力来耗散能量，从

7、而到达了耗能减震的目的。..2.2粘滞阻尼减震体系的设计方法当今，粘滞阻尼器已经被广泛应用，世界各国的学者专家都对粘滞阻尼减震体系的方法进行了大量的分析和研究。如今有许多国家的设计规范或设计指南对其进行了解说，而我国在《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中也阐述了相关内容。归纳起来，5种常用粘滞阻尼减震体系的设计方法分别是时程分析法、FNA法、能量设计法、复模态分析法、强振型分解反应谱法等等，下面对这些方法进行详细介绍。时程分析法又可以叫直接动力法[45,46]，在数学上还可将其称为步步积分法。显然，时程分析法是通