收藏本站
《哈尔滨工业大学》 2015年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

摩擦摆支座单层球面网壳结构减震机理及抗震设计研究

孔德文  
【摘要】:网壳结构作为一种典型的大跨空间结构,具有跨度大、受力合理、造型优美等特点,展现出良好的发展前景,是许多地标性建筑采用的建筑形式。由于此种结构政治、经济意义突出,且往往是人口密集场所,所以对网壳结构减震机理及抗震性能的研究工作显得尤为重要。目前,网壳结构的研究成果主要集中在稳定性、动力性能及失效机理分析等方面,有关网壳结构振动控制的研究开展较少。摩擦摆支座(FPB)作为一种高效且完全被动的摩擦滑移隔震装置,应用于网壳结构时,会引起一系列急需解决的关键问题,如网壳结构应用FPB的可行性分析、结构减震效果研究、FPB选取原则、结构参数影响程度、支座设计以及FPB安装设计等问题,本文正是将FPB精细化有限元模型应用于网壳结构,并针对上述问题对设置FPB网壳结构的减震机理及效果展开系统的研究。首先,分析了落地与带下部支承FPB网壳结构减震机理与抗震性能,证明FPB结构具有显著的减震效果,并给出了网壳结构选取FPB的基本原则。其次,针对网壳结构,基于传统摩擦摆支座,设计了三种新型摩擦摆减震支座,通过理论和数值分析探讨其减震机理,并通过数值算例验证了三种支座良好的减震性能;最后,从支座初始设计角度、布置方式以及安装位置等三个方面对FPB的安装设计进行了研究,给出了FPB网壳结构的设计建议,为FPB在网壳结构中的广泛应用奠定基础。本文的主要研究内容如下:1.摩擦摆支座减震机理及有限元建模从隔震和耗能减震两方面分析了摩擦摆支座的减震机理,给出了摩擦摆支座结构的运动方程,建立了精细化的摩擦摆支座有限元模型,并通过已有试验结果验证了建模方法的合理性和正确性。2.摩擦摆支座网壳结构抗震性能研究将精细化摩擦摆支座有限元模型应用到落地单层球面网壳结构中,从内力、变形和稳定性三方面分析了摩擦摆支座对网壳结构静力性能的影响,分析表明摩擦摆支座网壳结构内力和变形增加,结构稳定性能减弱,但加强最外环环杆能有效地减弱摩擦摆支座的不利影响。另外,从地震波和摩擦摆支座参数两方面,研究了网壳结构抗震性能的变化规律,给出地震波作用对摩擦摆支座网壳结构减震效果的影响规律,地震动强度越大,FPB结构减震效果越明显;随着摩擦摆支座摩擦系数的增加,FPB结构减震效果先增强后减弱;FPB曲率半径越大,减震效果越好。通过对不同矢跨比、屋面荷载和跨度网壳结构减震效果的研究,验证了不同结构应用FPB作为减震设备的可行性。3.带下部支承的摩擦摆支座网壳结构抗震性能研究将FPB安装于柱顶与网壳结构之间,分析柱支承FPB网壳结构内力、变形以及稳定性。考虑了地震波、摩擦摆支座及上部网壳结构参数对网壳结构抗震性能的影响,得出的不同参数变化对结构动力性能的影响规律与落地网壳结构相似。此外,研究了柱高度和截面半径变化时FPB网壳结构的减震效果,研究显示,FPB能延长结构的自振周期,避免共振现象,进而有效地减弱结构的地震响应。4.新型摩擦摆支座研究基于摩擦系数影响规律,设计了一种变摩擦-摩擦摆支座(VF-FPB),通过理论和数值方法对算例进行分析,讨论了此种支座的减震机理和减震效果,结果显示,VF-FPB具有良好的自适应特性,减震效果比传统FPB更显著。针对大跨度空间结构,设计了一种球-柱面摩擦支座(SCSFB),并通过理论和数值分析研究了应用此种支座网壳结构的减震效果,研究表明,与传统FPB结构相比,SCSFB能更有效地减弱网壳结构的地震响应。在SCSFB基础上,结合变摩擦思想,提出了一种新型变摩擦-球柱面摩擦支座(VF-SCFB),通过理论和数值分析验证了此种支座具有良好的减震性能,且减震效果优于SCSFB。5.摩擦摆支座网壳结构抗震设计研究给出了应用FPB单层球面网壳结构抗震设计建议。在此基础上,研究了FPB布置方式和安装位置对FPB网壳结构减震效果的影响规律。首先,提出了FPB初始设计角度的概念,当初始设计角度小于15度时,FPB不仅能够提高网壳结构静力性能,而且不影响结构的减震效果。其次,设计了三种不同布置方式,并研究了三种不同布置方式对网壳结构力学性能的影响,得出抗震设计时FPB布置方式一较为合理。此外,对比分析了FPB安装于柱顶和柱底的网壳结构力学性能,当FPB安装柱底时,网壳结构的静力性能较好,但减震效果弱于FPB安装在柱顶的网壳结构,抗震设计时建议将FPB安装于柱顶。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TU352.11;TU399

手机知网App
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026