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。     

线性粘滞阻尼耗能框架结构地震反应分析与优化

振动方程阻尼矩阵对于布置了阻尼器框架结构的振型不再具有正交性,传统的振型解耦法已不再适合于该振动方程的求解。本文采用状态方程直接积分法,研究了线性粘滞阻尼耗能框架结构的地震响应,并与SAP2000有限元软件的分析结果进行了对比,两者误差在5%以内;本文也探讨了阻尼器布置方式对框架结构地震响应的影响。结果表明:减震结构布置阻尼器的楼层,其层间位移角减小较显著;但未布置阻尼器的楼层,其层间位移角较大,甚至会出现层间位移角超过传统抗震结构相应值的现象,因此粘滞阻尼器在结构中应连续布置,不宜在结构中间断;当粘滞阻尼器在结构各楼层均匀布置时,结构各楼层最大位移反应相对传统抗震结构降低很多,约为抗震结构的20%~40%,减震效果较显著,但各楼层阻尼系数可根据均匀布置阻尼器的结构层间位移角优化;阻尼系数优化后,结构各楼层层间位移角差别减小,较为均匀。本文最后提出了线性粘滞阻尼耗能结构地震作用的实用计算方法。     

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。     

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。     

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.     

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%。     

地震作用下高层结构分布式多重调谐质量阻尼器振动控制研究

针对地震作用下高层结构振动调谐质量阻尼器(TMD)被动控制问题,基于沿结构高度分布多个阻尼器的策略,研究分布式多重调谐质量阻尼器(DMTMD)控制策略并应用于高层结构振动控制中。采用ANSYS软件对20层钢框架结构Benchmark模型建立有限元模型并进行模态分析,依据振型幅值确定多个阻尼器的楼层位置分布。将DMTMD控制策略的有效性和鲁棒性分别与仅在结构顶层安置阻尼器的单个调谐质量阻尼器(STMD)和多重调谐质量阻尼器(MTMD)控制策略进行比对。结果表明:DMTMD能有效地抑制结构地震反应,其控制效果与MTMD相近,且明显优于STMD。在考虑模型结构刚度不确定性的鲁棒性分析中,DMTMD的控制效果仍明显优于STMD和MTMD两种控制方案。     

一种耗能剪力墙结构地震反应的简化计算方法

本文用哈密顿原理建立了一种带竖缝耗能剪力墙结构在地震作用下的动力平衡方程，用Ritz法求解该方程，采用基于割线刚度和阻尼比等概率 幅值平均的等效线性方法求解竖缝中的耗能装置的刚度和阻尼比，并通过对一耗能剪力墙结构模型振动台试验的计算分析表明了该方法计算简单，且有较好的计算精度，为便于工程应用，对由耗能装置提供给结构的附加阻尼进行强行解耦，用振型分解反应谱的方法进行耗能结构地震反应的简化计算，并通过对一算例的计算分析表明了该简化方法具有一定的精度，该简化方法使对耗能结构的抗震计算与普通结构比较一致，该方法主要适用于小震作用下的耗能结构的抗震计算。     

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。     

一种计算非比例阻尼结构地震响应的新方法

在非比例阻尼结构地震响应分析中, 直接积分法和强迫解耦法均具有鲜明的优缺点, 考虑到计算精度和计算效率的均衡, 提出了一种可用于非比例阻尼结构地震响应计算的新方法---多自由度模态方程方法. 同时, 通过推导指出了直接积分法和强迫解耦法是所提出方法的两种特殊形式, 从而构建了非比例阻尼结构地震响应计算方法的完整理论体系. 最后采用数值算例验证了多自由度模态方程方法在非比例阻尼结构地震响应计算中的有效性, 并说明其可以通过合理划分结构分区来调节计算精度和计算效率.      

基于胡聿贤谱的带支撑广义Maxwell阻尼隔震结构随机响应分析

工程中通过设置支撑将阻尼器和建筑结构连接, 但常为了简化分析, 将支撑的水平刚度看成无穷大, 即不考虑支撑对耗能结构随机地震响应的影响. 实际上, 考虑有限水平刚度的支撑对耗能结构响应的影响更加符合工程实际, 为考虑支撑影响的广义Maxwell耗能隔震结构在胡聿贤谱地震激励下的响应分析, 提出一种求解随机地震响应的简明解析解法. 将带支撑广义Maxwell阻尼器等效本构关系、隔震结构运动方程以及胡聿贤谱滤波方程联合组成非经典阻尼系统, 运用复模态法对该非经典阻尼系统解耦, 通过不同响应模态获得耗能隔震系统系列响应基于白噪声激励的Duhamel积分表达式; 利用Dirac函数的性质, 将系统系列响应协方差简化为无积分运算的表达式, 根据功率谱密度函数与其协方差函数的Wiener-Khinchin关系, 得到耗能隔震系统系列响应功率谱和地面加速度功率谱, 基于随机振动理论中谱矩的定义, 得到耗能隔震系统系列响应0 ~ 2阶谱矩. 算例通过与虚拟激励法对比分析, 验证所提方法在该耗能隔震系统分析的正确性和高效性, 并讨论了不同支撑刚度对阻尼器减震效果的影响.      

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。     

建筑输液管道地震反应分析

建筑物内输液管道作为依附在各楼层的非结构构件,对保障建筑物正常使用具有重要意义。基于主体结构各楼层对管道的二次输入影响,分别分析了管道与建筑结构耦合和管道多点激励下的地震反应,通过比较两个模型的计算结果,研究管道地震反应的实用分析方法。通过对主体结构弹塑性时程分析,得到楼层加速度放大系数变化规律,并建立楼面反应谱分析楼层反应谱相对地面反应谱的放大效应以及楼层对管道的地震作用。利用多点激励分析方法分析了主体结构类型及管径对管道应力的影响,结果表明:地震作用下管道的最大应力发生在与楼层连接处,2层、3层为管道薄弱层;侧向刚度较大的框架-剪力墙结构中的管道应力值较框架结构管道应力偏小;管径为150mm的管道应力约为管径为25mm管道的6倍。     

高压电气设备支架串联体系地震响应半解析法

针对具有集中分布参数柔性节点的多节电瓷型高压电气设备支架串联体系,通过应用分布参数梁振动理论与集中参数通过边界条件的引入,推导出其频率方程,然后通过数值方法求得频率及振型。通过应用Betti定律,推导出具有集中分布参数柔性节点的多节电瓷型高压电气设备支架串联体系振型的正交条件,应用此正交条件对集中参数与分布参数的振动方程解耦,从而得到广义质量及广义荷载,然后通过振型叠加法求解结构的地震响应。最后应用该半解析法与有限元法数值积分法对一330 KV电压互感器支架串联体系地震响应进行分析,分析结果表明,该半解析法求解的地震响应与有限元直接积分法求解的地震响应相一致,从而为具有集中分布参数柔性节点的多节电瓷型高压电气设备支架串联体系的地震响应分析和抗震设计提供了一种新的途径。     

多维地震作用下高层结构振动混合控制研究

针对水平和竖向地震作用下高层建筑结构的混合振动控制问题,研究调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)体系、隔震结构体系、隔震与TMD混合控制体系3种策略对水平与竖向地震共同作用下结构振动响应的减振效果。选取典型的20层钢结构Benchmark结构模型,利用ANSYS软件建立带有TMD和隔震层结构的有限元模型,比较了结构在水平地震单独作用下与水平和竖向地震共同作用下的振动响应。结果表明,水平方向上的振动响应无明显变化;竖直方向上,有控状态下的减振指标相对于无控状态出现了增大现象,尤其是层间隔震结构增大较为明显。研究成果可为高烈度区高层隔震结构设计提供参考。     

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。     

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。     

具有离散阻尼器的结构动力分析

本文论述了几种结合离散阻尼器于结构以增大其阻尼的方法。假设原结构是无阻尼的,用复数表示加在它的某些离散点上的阻尼器的刚度,推导出了一个对无阻尼结构的刚度阵作局部修改的运动方程,指出了用模态应变能法解决这个问题时的缺点,提出了用改进的直接频率响应积分法与模态综合法求解它。     

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。     

高速铁路连续箱型梁桥的动力响应与减振分析

根据列车具体的轴距和轴重,建立了和谐号动车组CRH380AL型列车简化模型;对高速铁路两跨连续梁桥采用多自由度欧拉伯努利梁单元进行主梁的模拟,并将液体黏滞阻尼器模拟为有限元阻尼单元;采用Newmark直接积分方法求解了高速列车作用下的连续梁桥运动方程,数值分析了列车车速以及液体黏滞阻尼器的阻尼系数对于高速铁路连续梁桥振动响应的影响。结果表明:黏滞阻尼器对于桥梁具有明显的减振效果,阻尼力不仅与阻尼系数有关还与列车时速有关;同一黏滞阻尼器条件下,桥梁的最大加速度并不随列车速度的增加而单调增加,而是在某些特定列车车速下桥梁的最大加速度出现了峰值,且随着黏滞阻尼器的阻尼系数增大,桥梁振动响应峰值处的最大加速度减幅不同;同一列车时速的条件下,桥梁的减振效果并不是随着阻尼系数的递增呈正比递增,而是随着阻尼系数的增大,阻尼器的减振效果增幅在减小。