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《辽宁工程技术大学》 2009年
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考虑土—结构动力相互作用的巨型框架隔震悬挂结构动力响应分析

王学庆  
【摘要】: 由于高层和超高层建筑的建设成本高,人员和财产高度集中,建筑功能多变,因此与常用建筑相比,在灾害条件下具有更高的风险。研究更加安全、可靠、经济、适应建筑功能要求的结构新体系成为高层及超高层建筑结构发展过程中急待解决的重要课题之一。巨型框架隔震悬挂结构的提出为此起到了抛砖引玉、添砖加瓦的作用。巨型框架隔震悬挂结构新体系整合了巨型结构、悬挂结构和隔震技术三者各自的优点于一身,可有效保障高层和超高层建筑结构的安全可靠性和使用舒适性。而结构基础周围的地基土是影响结构动力特性最主要的影响因素之一,因此开展考虑土—结构动力相互作用的巨型框架隔震悬挂结构动力响应研究具有重大的理论意义和应用价值。 本文首先对不同土样在不同围压条件下的动力特性进行了试验研究。结果表明土层埋置越深,围压就越大,因此土颗粒接触点增加,导致骨干曲线的斜率增大,动剪切模量和剪切波速也就随之增大,与之相反,阻尼比随之逐渐减小。土的这些动力特性是研究土—结构动力相互作用的基础。 其次,本文给出了隔震悬挂结构简化计算时的等效计算原则和等效计算方法。研究表明担梁与子结构质量比和隔震层与子结构重力刚度比在一定范围内时可将隔震悬挂结构由两质点体系简化为单质点体系,并给出了等效计算原则和等效计算公式,并经试验验证了等效计算公式的适用性,进而使其动力分析问题得到较大简化。 再次,本文通过数值计算的手段对巨型框架单段和多段隔震悬挂结构进行了幅频和相频响应分析,揭示了单段和多段巨型框架结构通过主子结构间的相位差实现减震控制的原理。同时还发现结构参数中的主子结构质量比、频率比和子结构阻尼比在一定范围内存在最优值,可使结构的减震控制效果达到最佳状态。另外,不同形式巨型框架悬挂结构有限元模态对比分析表明,巨型框架隔震悬挂结构的自振周期明显长于其他两种形式的,有利于结构避震。有限元时程对比分析表明,分别与结构安全性和舒适性息息相关的主结构相对位移和子结构加速度明显小于自由悬挂和传统悬挂结构的。由于隔震层的存在使得巨型框架隔震悬挂结构的地震响应有快速衰减的现象,表明隔震层耗散了绝大部分的地震输入能量,从而达到较好的振动控制效果。 最后,通过对不同悬挂结构形式在不同场地条件下的动力响应时程分析结果表明,土层做为地震波的传播介质,具有低频放大和高频滤波效应。考虑土—结构动力相互作用时的巨型框架隔震悬挂结构的地震响应振动控制指标(主结构相对位移和子结构绝对加速度)明显优于刚性地基条件假设条件的,因此不考虑土—结构动力相互作用时进行的结构参数设计是偏于安全和保守的。 本文的研究表明,巨型框架隔震悬挂结构的震动控制思想依靠其独特的动力特性,在结构安全性和使用舒适性方面都是目前其他结构形式和振动控制方法所无法实现的。另外,它也是一种新的抗震思想的描述,对高层和超高层建筑结构振动控制有重要意义。
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