文档介绍：湖南大学
博士学位论文
速度相关型被动消能体系设计方法与优化控制
姓名:陈墩
申请学位级别:博士
专业:结构工程
指导教师:邹银生
20061215
博士学位论文
摘要
在结构中合理的设置阻尼器(即被动消能装置)可以吸收或消耗输入结构中
的一部分地震能量,减小结构位移,改善结构的抗震性能,使可能的结构损坏降
低到最低程度。近年来,被动消能作为地震控制的一种新技术,在新建的和加固
改造的土木工程结构中已得到快速的应用,其理论研究也愈来愈得到重视。目前,
被动消能技术仍在不断的发展之中,许多问题需要进一步研究。本文共分为五章,
针对速度相关型被动消能体系的设计方法与优化控制问题进行研究,得到了以下
成果:
1、对粘滞阻尼器被动消能体系提出了改进的基于位移设计方法。以静力非线
性分析(Pushover)方法为基础,绘制出多自由度结构等效单自由度结构体系的
二折线恢复力骨架;选择合适的地震波对其进行非线性时程分析,直接确定所需
阻尼器的附加阻尼比。本文针对新建和加固改造的房屋结构的不同特点,对它们
的设计方法分别进行了说明。对于被动消能体系,指出采用振型分解反应谱法对
尚未安装阻尼器的无控结构进行设计时,需要考虑阻尼器附加阻尼比的影响。
2、提出了确定所需粘弹性阻尼器的附加阻尼比的简单迭代方法,使改进的基
于位移设计方法能够应用于粘弹性阻尼器被动消能体系。根据粘弹性阻尼器等效
刚度和阻尼系数的相关性,建立了粘弹性阻尼器在消能体系中附加阻尼比与其附
加刚度的关系式。对于假定的附加阻尼比,计算出其相应的附加刚度,再对等效
单自由度体系进行非线性时程分析,直到最大位移响应在目标位移精度范围内为
止。讨论了粘弹性阻尼器的附加刚度对尚未安装粘弹性阻尼器的新建结构采用振
型分解反应谱方法设计的影响,并对地震影响系数修正公式的选取提出了建议。
本文给出算例对提出的速度相关型被动消能体系基于位移设计方法进行了验证,
结果表明该方法简单直接,精度可靠。
3、不拆分运动方程中粘弹性阻尼器的控制力,构造 Lyapunov 函数,从随机
响应的角度出发计算粘弹性阻尼器附加给结构的阻尼比,使得粘弹性阻尼器对结
构的减震控制可以只用附加阻尼比来表征,给粘弹性阻尼器被动消能体系设计带
来了有效的简化。拆分阻尼器控制力,用同样的方法得出的粘弹性阻尼器附加阻
尼比计算公式和目前常用的计算公式完全相同。本文对两种方法进行了比较,表
明单自由度体系或者多自由度结构的等效单自由度体系的地震响应在弹性范围内
时,本文方法具有足够的精度。
4、把速度相关型被动消能体系当作一个控制系统,基于 EE、EP 增益指标对
感兴趣的被调输出(如层间位移)进行了优化控制。对于一定数量的阻尼器,利用
II
速度相关被动消能体系设计方法与优化控制
Matlab 优化工具箱和 LMI 工具箱搜索控制系统 EE、EP 增益指标最小值,从而确
定阻尼器的优化位置。本文假定结构中安装的阻尼器为粘弹性阻尼器,分析了阻
尼器数量和地震作用大小对优化效果的影响,以及阻尼器优化布置给楼层剪力带
来的变化,对其规律进行了总结。对结构中唯一的薄弱层,或对有多个薄弱层而
其中一个薄弱层十分突出的楼层进行加权,使消能体系优化效果得到了明显改善。
本文采用 2 个算例对优化方法进行了验证。
关键词:消能减震;速度相关阻尼器;非线性静力分析;非线性时程分析;基于
位移设计;阻尼比;优化控制;
III
博士学位论文
ABSTRACT
Dampers set properly in structures can reduce the earthquake-induced response of
structural systems through absorbing parts of earthquake energy. Then the structural
seismic performance would be improved. Recently, the technology of passive energy
dissipation has been applied for new buildings and seismic rehabilitation of buildings.
Its theory research is getting more and more attention, but passive energy dissipation
as a new technology is still developing. However,