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结构地震响应的主动、半主动、被动控制耗能机理对比

刘凯雁  
【摘要】: 目前,对结构振动控制的研究已经成为建筑结构抗震学科领域内的一个热点。不同的控制方式,工作原理不同,控制效果亦不相同。除了以受控体系的位移、加速度、剪力等单一指标来评价控制方式的减震效率之外,正确揭示不同减震结构的破损情况与地震动之间的内在联系、从本质上认识各种控制手段的减震机理比较它们对结构地震响应(尤其是强震下)的控制效果也是十分有意义的。 能量的传递、转化与吸收(耗散)是结构地震反应的本质特征,能否有效地减轻或控制结构的地震响应主要取决于采用某一手段后结构地震输入能的大小以及体系耗散这一能量的能力。能量分析法正是一种基于地震能量输入与结构能量耗散之间相互关系来分析研究结构损伤水平的方法。这种方法能够较好地反映地震动三要素对结构破坏的综合影响,特别是可以跟踪强震作用下结构弹塑性反应的全过程,因此得到了国内外地震工程界的广泛重视。 本文将能量法作为研究手段用于结构振动控制的分析比较中,从能量的角度评判不同控制策略的减震效果。文中首先确定了主要研究对象的动力分析模型——分区瑞雷阻尼模型和Bouc—Wen滞回模型;其次根据目标体系各自的运动方程推导出滞变结构的能量反应方程,明确方程中各能量项的含义,导出它们的具体表达式,并从能量角度对各自的减震机理做出解释;最后在理论分析的基础上,将本文研究对象赋以具体数值通过Matlab仿真先在小震下验证了隔震结构中地震动输入能与结构位移响应之间的对应关系,再在大震下对不同受控体系的能量响应进行了分析比较。结果表明,各种控制手段都改变了地震作用时结构中能量的输入与分配关系,但程度和原因不同;上部结构的输入能和滞回耗能在主动减震结构中得到了最合理的控制,半主动结构次之;与被动控制相比,主动和半主动控制结构中隔震层的输入能均有所上升,但其滞回耗能却反而减小,原因在于控制力耗能起到了关键性的作用。能量与结构破损间存在本质联系,通过能量分析不同控制策略的减震机理和差异一目了然。


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