阻尼耗能减振框架结构地震作用振动方程求解及地震反应分析Calculation of vibration equation and analysis of seismic response for damping energy dissipation frame structure

研究了设置耗能阻尼器框架的地震作用振动方程求解及该结构的地震反应。框架结构设置耗能阻尼器后,振动方程的阻尼矩阵不再对振型具有正交性,本文对该振动方程给出了状态方程直接积分法,并与传统强制解耦法进行了比较分析,结果表明强制解耦法对结构第一阶振动反应求解偏差较小,而对于高阶振动反应差别较大,并且强制解耦法高估了阻尼器的减震效果。继而采用状态方程直接积分法对设置有粘滞阻尼器的框架结构进行了地震反应分析,探讨了阻尼器位置对框架结构地震反应的影响,结果表明设置有阻尼器的楼层减振效果明显,未设置阻尼器的楼层减振效果差别较大,甚至有可能出现楼层层间侧移增大的现象,由此提出耗能阻尼器应在结构中合理设置。     

阻尼耗能减振框架结构地震作用振动方程求解及地震反应分析

研究了设置耗能阻尼器框架的地震作用振动方程求解及该结构的地震反应。框架结构设置耗能阻尼器后,振动方程的阻尼矩阵不再对振型具有正交性,本文对该振动方程给出了状态方程直接积分法,并与传统强制解耦法进行了比较分析,结果表明强制解耦法对结构第一阶振动反应求解偏差较小,而对于高阶振动反应差别较大,并且强制解耦法高估了阻尼器的减震效果。继而采用状态方程直接积分法对设置有粘滞阻尼器的框架结构进行了地震反应分析,探讨了阻尼器位置对框架结构地震反应的影响,结果表明设置有阻尼器的楼层减振效果明显,未设置阻尼器的楼层减振效果差别较大,甚至有可能出现楼层层间侧移增大的现象,由此提出耗能阻尼器应在结构中合理设置。     

带支撑粘弹性阻尼器耗能框架结构随机振动分析

对带支撑粘弹性阻尼器的框架结构减震性能进行了分析.首先分析了粘弹性阻尼器松弛时间系数η和支撑系数ψ等对粘弹性阻尼器复合刚度的影响,在此基础上,采用随机振动理论对设置带支撑粘弹性阻尼器框架结构的振动方程进行求解,研究了改进Kanai-Tajimi功率谱地震激励作用下框架结构层间位移角均方差、结构顶部楼层位移均方差和结构各楼层地震作用均方差等.算例分析表明,阻尼器支撑系数ψ宜根据松弛时间系数η合理取值,只要支撑系数ψ取值足够大,就可忽略支撑对粘弹性阻尼器减震性能的影响,并且阻尼器松弛时间系数η也不宜过大.分析还表明,设置粘弹性阻尼器框架结构各楼层地震作用明显低于无阻尼器框架结构相应值.     

设置粘弹性阻尼耗能框架结构减震性能分析

研究粘弹性阻尼器对框架结构的减震性能,分析该阻尼器的阻尼参数对框架结构地震反应的影响,给出设置阻尼器后结构地震作用的计算方法。对设置粘弹性阻尼器框架结构振动方程进行傅里叶变换,求解该振动方程的频域解,再通过傅里叶逆变换得出该方程的时域解,由此研究阻尼器的阻尼系数C_d和松弛时间系数η等对结构地震响应的影响。在此基础上,提出粘弹性阻尼器的阻尼系数在各楼层经济分布的实用计算公式,并对设置粘弹性阻尼器框架结构地震作用给出计算方法,分析结构各楼层的地震作用及结构各振型的底部剪力。研究表明,设置于框架结构的粘弹性阻尼器宜控制其松弛时间系数η≤0.5～0.7。     

基于放大式节点阻尼器的框架结构抗震性能研究

针对普通节点阻尼器在层间位移角较小时无法充分发挥阻尼器性能的问题,基于杠杆原理提出一种新型位移放大式节点阻尼器。首先介绍阻尼器的基本构造、工作原理并建立数值模型;然后建立含阻尼器的多尺度框架模型,开展结构静、动力弹塑性分析,探讨位移放大阻尼器与无放大阻尼器对框架结构抗震性能的影响。研究结果表明:放大式节点阻尼器耗能能力为无放大阻尼器的5.7倍;在多遇及罕遇地震作用下,相比布置无放大阻尼器的框架结构,布置放大式节点阻尼器的框架结构基底剪力响应分别减少13%、6%,层间位移角分别减少13%、11%,有效提升了结构的抗震性能。     

带支撑黏弹性阻尼器框架减震性能分析

对带有支撑黏弹性阻尼器耗能框架结构振动方程进行傅里叶变换,求解该振动方程的频域解,再通过傅里叶逆变换得出该方程的时域解,由此研究了阻尼器的支撑系数ψ、松弛时间系数η对结构地震响应的影响,分析了带支撑黏弹性阻尼器在结构各楼层均匀布置时结构的地震作用及结构各振型的底部剪力。结果表明:支撑系数ψ超过一定数值时,阻尼器支撑对结构的地震反应影响很小;框架结构中带支撑的黏弹性阻尼器宜合理控制松弛时间系数η,使其不大于0.5。     

多自由度Maxwell阻尼器减震结构(Ⅰ)——随机响应特性

对多自由度带支撑Maxwell粘滞阻尼器减震结构的随机响应特性进行了系统研究。建立了结构一般运动方程;将运动方程按原结构振型展开,将运动方程化为振型广义坐标的微分和积分混合地震响应方程组;基于多自由度随机平均法理论,获得了结构随机平均It方程组的解析式,推导出耗能结构各振型振子的振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差的一般解析解;根据SRSS组合方法,给出了耗能结构随机地震响应方差的一般解析式,从而建立了此类耗能结构随机响应特性分析的完备解析解法。     

高速铁路大跨度连续钢桁梁柔性拱桥减震研究

在1联(3×168)m连续钢桁梁柔性拱桥设置纵向粘滞阻尼器,采用非线性时程分析方法研究其减震效果。从减小拱脚轴力、墩底内力、墩梁纵向相对位移三方面出发,讨论了粘滞阻尼器各参数对结构地震响应的影响,并与未设置粘滞阻尼器情况下的地震响应进行对比。初选了减震效果较好的阻尼系数C和速度指数ζ,继而在全桥(两联3×168m连续钢桁梁柔性拱)布置该参数的粘滞阻尼器并分析其减震效果。结果表明:固定墩顶的拱脚轴力值在纵向布置粘滞阻尼器后显著减小,而位于活动墩顶的拱脚轴力值个别存在增大情况,且当ζ一定时,C越大减震效果越明显;活动墩顶的墩梁纵向相对位移随ζ的减小和C的增大而减小;以1联连续钢桁梁柔性拱桥为研究对象,所选定的阻尼器在全桥布置后,全桥地震响应的最大正减震率为76.5%,最大负减震率为-21.40%;尽管全桥布置阻尼器后某些位置出现了负减震率,但其地震响应仍然全桥最小;通过对两侧简支钢桁梁粘滞阻尼器的参数优化后,个别位置的地震响应进一步减小,从而提高了全桥的抗震性能。     

粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的随机响应特性

利用积分型本构关系,针对带支撑任意线性粘滞和粘弹性阻尼器单自由度耗能结构,建立了微分和积分混合地震响应方程;基于随机平均分析法,推导出耗能结构振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差、振幅动力可靠性、振幅首超时间任意阶统计矩的一般解析解;给出了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器耗能结构上述各种随机响应特性,从而建立了带支撑任意线性粘滞和粘弹性阻尼器单自由度减震结构的各种随机响应特性分析的统一解析解法。     

高效耗能摩擦阻尼钢筋混凝土框架结构减震性能分析

研究了高效耗能摩擦阻尼器的减震机理。利用力学原理，分析了地震作用下高效耗能摩擦阻尼器的摩擦阻尼力放大系数变化规律，推导了设置高效耗能摩擦阻尼器结构的等效阻尼比计算公式。在此基础上，对分别设置传统摩擦阻尼器和高效耗能摩擦阻尼器的框架结构进行了地震反应分析，结果表明，高效耗能摩擦阻尼器通过将较小的摩擦阻尼力放大可以显著降低结构地震反应，减震效果良好；利用本文给出的等效阻尼比分析得出结构顶层位移反应幅值，与阻尼等效前相应值误差不超过10%。     

设置支撑的广义Maxwell阻尼器系统基于非平稳巴斯金谱的地震响应分析

对设置支撑的广义Maxwell阻尼器单自由度减震系统非平稳随机地震响应问题进行了系统的研究。首先,建立设置支撑广义Maxwell阻尼器的等效本构关系,将设置支撑广义Maxwell阻尼器转化为不带支撑的等效阻尼器;然后,采用传递函数法,直接在耗能结构原始空间上,获得减震系统在非零初始条件和任意激励下结构整体系统(含支撑和阻尼器的位移、速度以及受力,结构位移与速度)的时域瞬态响应精确解;最后,针对2种经典均匀调制四参数巴斯金谱地震激励,获得了减震系统的结构整体系统非平稳响应解析解。所获得的结构系统时域瞬态响应精确解和非平稳地震响应解析解,可为结构系统各构件建立抗震反应谱设计法和动力可靠度提供分析路径。     

设置连接阻尼器的相邻结构随机地震动响应的简明封闭解

针对两相邻结构间设置连接阻尼器对结构的减震影响问题,研究了基于Kanai-Tajimi谱地震动激励下的Kelvin型粘弹性阻尼器与相邻结构形成的组合体系的随机地震动系列响应(绝对位移及层间位移)的简明封闭解。首先,利用Kelvin型粘弹性阻尼器本构关系及Kanai-Tajimi谱的滤波方程,将组合体系基于复杂地震动激励精确转化为基于简明白噪声激励的运动方程;其次,利用复模态法获得了组合结构相对于地面的绝对位移、层间位移等系列响应方差及0阶~2阶谱矩的统一简明封闭解。最后,通过算例及与虚拟激励法进行对比,证明本文方法的正确性和简明性;通过与未设置阻尼装置结构体系的动力响应对比,说明了阻尼装置对相邻结构具有良好的减震效果,但局部楼层的层间位移及层间剪力会有所增加。     

SMA阻尼器在土木结构被动控制中的运用

首先确立了SMA耗能阻尼器的力学模型，以Brinson本构关系为理论依据，基于热力学第一定律建立了耗能阻尼器的热力学非线性方程；然后，建立了在耗能阻尼器作用下的框架结构动力学非线性平衡方程及其求解方法；最后，利用文章编写的仿真软件分别对耗能阻尼器的阻尼特性和框架结构的动力响应进行了实例仿真模拟。结果表明，SMA耗能阻尼器具有明显的阻尼特性；对于结构在地震作用下的动力响应具有明显的抑制效果，结构顶层位移、速度峰值衰减率达50～60％；仿真结果与其他学者的试验结果吻合较好，表明文中所述方法的正确性与适用性。     

新型节点阻尼器对框架结构静力弹塑性性能的影响

为解决小位移下传统节点阻尼器不能充分发挥其耗能能力问题,开发出了基于杠杆原理的新型放大式阻尼器,以实现小位移高耗能。本文首先介绍了阻尼器基本构造及其工作原理,给出了阻尼器的力学模型,并基于数值模拟结果探讨放大式阻尼器的效果;再基于混凝土框架结构的静力弹塑性分析,主要对比有控结构中布置放大式阻尼器和无放大式阻尼器时的能力曲线、性能点、层间位移、层间位移角及塑性铰分布。研究结果表明:与无放大式阻尼器对比,布置放大式阻尼器的承载力增幅在10.0%左右;性能点对应剪力和位移减幅分别提高2.3%～3.1%和10.4%～12.3%;最大层间位移及薄弱层层间位移角减幅分别提高12.7%～15.0%和9.5%～11.2%。研究结果证明放大式阻尼器相比无放大式阻尼器效果更为显著。     

粘滞阻尼器减震结构非线性随机振动的时域显式降维迭代随机模拟法

粘滞阻尼器在大型复杂结构减震设计中应用广泛。由于粘滞阻尼器的非线性阻尼力特性,粘滞阻尼器减震结构非平稳随机地震反应分析是一个典型的局部非线性随机振动问题。利用减震结构动力响应时域显式表达式的降维列式优势,仅针对与粘滞阻尼器相关的局部自由度进行非线性迭代计算,提出了局部非线性随机振动问题的时域显式降维迭代随机模拟法,为设置粘滞阻尼器的大型复杂减震结构非线性地震反应分析提供一种高效的随机振动方法。以安装了四个纵桥向粘滞阻尼器的某主跨1200m悬索桥为工程实例,开展E2水准地震激励下的非线性随机振动分析。计算结果显示,设置阻尼器后,主梁的纵桥向位移得到明显控制,降幅达到80%,大桥的关键截面内力也有5%左右的降幅。     

抗震加固用消能减震结构的弹塑性时程分析研究

对用于抗震加固的消能减震结构进行了弹塑性时程分析研究,主要解决以下几个问题:确定结构的振动模型;质量矩阵和阻尼矩阵的处理;确定结构或构件在反复荷载下的力-位移关系,或恢复力特性;附加阻尼矩阵及附加刚度矩阵;阻尼器的优化布置等.提出了简化优化设计法,针对加固工程,确定控制函数.最后给出了四层混凝土框架加固工程实例分析.     

高速铁路连续梁桥的共振响应与振动控制研究

以液体粘滞阻尼器为振动控制外部装置，主桥采用欧拉伯努利梁，通过中国和谐号动车组CRH380AL、日本新干线Shinkansen700和欧洲高速列车HSLMA8三种不同类型的高速列车对比，模拟分析了高速列车作用下桥梁结构共振响应的影响因素，以及粘滞阻尼器的阻尼系数与安装位置对桥梁结构振动响应的减振效果。研究结果表明，（1）合理有效地布置列车荷载轴距，可使桥梁结构发生基频共振的列车时速在运营时速之外，避免了桥梁结构发生较大振动峰值响应，即桥梁结构的基频共振；（2）随着粘滞阻尼器阻尼系数的增大，桥梁的加速度峰值在列车不同时速下均在减少，对桥梁振动有着不同程度的减振效果；（3）通过合理安置液体粘滞阻尼器，可有效降低高速列车作用下桥梁结构的共振响应；（4）随着粘滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座，粘滞阻尼器的减振效果逐渐明显；（5）随着粘滞阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座，粘滞阻尼器的减振效果略有提升，但不明显。     

高速铁路连续梁桥的共振响应与振动控制研究

以液体粘滞阻尼器为振动控制外部装置,主桥采用欧拉伯努利梁,通过中国和谐号动车组CRH380AL、日本新干线Shinkansen700和欧洲高速列车HSLMA8三种不同类型的高速列车对比,模拟分析了高速列车作用下桥梁结构共振响应的影响因素,以及粘滞阻尼器的阻尼系数与安装位置对桥梁结构振动响应的减振效果。研究结果表明,(1)合理有效地布置列车荷载轴距,可使桥梁结构发生基频共振的列车时速在运营时速之外,避免了桥梁结构发生较大振动峰值响应,即桥梁结构的基频共振;(2)随着粘滞阻尼器阻尼系数的增大,桥梁的加速度峰值在列车不同时速下均在减少,对桥梁振动有着不同程度的减振效果;(3)通过合理安置液体粘滞阻尼器,可有效降低高速列车作用下桥梁结构的共振响应;(4)随着粘滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座,粘滞阻尼器的减振效果逐渐明显;(5)随着粘滞阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座,粘滞阻尼器的减振效果略有提升,但不明显。     

多自由度Maxwell阻尼器减震结构(Ⅱ)——等效阻尼

对多自由度带支撑Maxwell阻尼器减震结构的等效阻尼比进行了系统研究。构建了耗能结构一般微分和积分混合地震响应方程组;基于与多自由度随机平均法分析完全相同的等效准则,建立了耗能结构各振型等效阻尼比的一般解析计算式。与一些典型问题的模态应变能法的计算精度进行对比分析,结果显示:本文方法的计算结果在特定条件下与精确解完全相同;在一个二自由度系统中相对位移响应方差的误差分别为0.99%和0.45%,优于应变能法的8%和5.4%,表明了本文方法的有效性。从而为建立此类耗能结构等效阻尼分析的完备解析解法、直接应用反应谱法进行实际工程设计提供了依据。     

带支撑Maxwell阻尼器耗能隔震结构的随机风振响应分析

对设置带支撑Maxwell阻尼器的高层耗能隔震结构的随机风振响应进行了研究。建立结构运动方程,基于传递函数法及随机振动理论,获得结构基于Davenport谱激励下位移和阻尼器受力响应方差,并将其分解为系列标准振子的线性组合,得到结构随机风振响应的解析表达式、阻尼器受力的随机响应、等效风荷载取值,从而建立了带支撑Maxwell阻尼器高层耗能隔震结构的随机风振响应解析分析方法。算例分析表明:支撑刚度对阻尼器的减震效果有着较大的影响,以上部结构风振位移响应为例,阻尼器的支撑刚度为1倍隔震层刚度比支撑刚度为0.001倍隔震层刚度的位移响应减小了30%左右。所获得的解析解对耗能隔震结构的设计和阻尼器的参数优化设计具有重要的意义。