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高层钢筋混凝土基础隔震结构减振研究

作　者: 商昊江
导　师: 祁皑
学　校: 福州大学
专　业: 结构工程
关键词: 高层隔震结构减震机理等效模型高宽比限值风振分析扭转效应设计方法
分类号: TU973.31
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

隔震是一种发展较快的结构振动控制技术，由于其简便有效，近年来逐渐被应用到高层建筑中。目前，国外（如美国、日本、新西兰等）已有许多高层建筑采用隔震技术，而我国的应用还未广泛开展，其主要是由于：（1）国内对于高层隔震结构的减震机理缺乏统一的认识，对减震效果有较大的质疑；（2）高层隔震结构存在易倾覆的危险；（3）国内对高层隔震结构风振控制的相关研究还不充分；（4）国内对高层隔震结构扭转效应的控制认识不足；（5）高层隔震结构的设计尚未形成完善的规范条文，相关设计、施工无法可依。鉴于以上几点，本文所做的主要工作为：（1）分别建立高层框剪隔震建筑模型和多层框架隔震建筑模型，输入水平单向地震波，提取隔震层的加速度时程，将其视为地震动，输入原抗震结构中，对比两者隔震前后的加速度反应谱和基底最大剪力的减震率，以此对比两种隔震结构的减震机理，结果表明：多层隔震结构的高阶振型减震效应很小，且以第一振型减震为主，而高层隔震结构存在较大的高阶振型减震的效应，从而产生了其多振型减震的效应。（2）用隔震层上部子结构前两阶频率和前两阶振型与悬臂等截面直杆剪切相似的准则推导高层隔震结构三质点等效模型，分析高层隔震结构动力反应特点，进行高层隔震结构最大反应预测，结果表明本文推导的三质点模型对剪切型和弯剪型高层隔震结构都具有较高的等效程度。（3）为考虑高层隔震结构高阶振型及整体弯曲的影响，用第2项工作中得到的高层隔震结构简化计算模型推导了高层隔震结构体系高宽比限值的计算公式，并给出了高层隔震结构的高宽比限值的建议值及两个算例的验证，还进一步讨论了当隔震周期不等于临界周期时高宽比限值的变化情况，研究发现当隔震周期小于临界周期时高宽比限值的降低并不明显，当隔震周期大于临界周期时高宽比限值的降低比较明显。（4）采用线性回归滤波器法模拟脉动风速时程，并将其与平均风速转化为风压时程输入高层隔震结构，讨论在保证结构在有一定减震效果情况下的风振效应及其控制，结果表明为保证高层隔震结构在地震中一定减震性能，要使隔震层满足遭遇50年一遇的风荷载不屈服较为困难，因此本文建议考虑隔震层遭遇20~30年一遇的风荷载不屈服；而高层隔震结构顶部风振加速度一般可以满足人体舒适度指标。（5）建立1个高层抗震结构和4个具有不同扭转特性的高层隔震结构的空间模型进行地震响应分析比较，进而验证“上部结构质量中心与隔震层刚度中心的重合”是抑制隔震结构扭转的关键因素的原则，而后考察在上部结构质量中心与隔震层刚度中心无法重合的情况下在偶然偏心地震作用下结构的扭转效应。结果表明：由于地震作用的减小，扭转效应要远小于原抗震结构，且隔震本身对于结构扭转效应的抑制效果要好于上述原则；扭转效应的减震率大于平动效应的减震率。（6）以前几项工作中对各种问题的分析为依据，形成高层隔震结构的设计步骤与方法，基于Etabs有限元分析软件，以相关规范及规程为参考，阐述本文建议的高层隔震结构的设计流程，结果表明此设计方法是便捷有效的。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-11
第1章绪论  11-28
  1.1. 引言  11-12
  1.2. 结构振动控制  12-16
    1.2.1. 振动控制理论的发展  12-13
    1.2.2. 振动控制的分类  13-16
  1.3. 隔震技术的发展  16-19
    1.3.1. 国外隔震技术的研究与应用  16-18
    1.3.2. 我国隔震结构的研究与应用  18-19
  1.4. 高层隔震结构体系的研究与应用  19-24
    1.4.1. 高层隔震结构地震模拟振动台试验研究  19-20
    1.4.2. 高层隔震结构的理论研究  20-23
    1.4.3. 高层隔震结构工程应用  23-24
  1.5. 高层隔震结构存在的问题  24-25
  1.6. 研究的主要内容和目标  25-26
  1.7. 研究中的难点及本文的创新点  26-28
第2章高层隔震结构减震机理探讨  28-39
  2.1. 引言  28
  2.2. 工程概况  28-31
  2.3. 频域分析  31-35
  2.4. 时域分析  35-38
  2.5. 小结  38-39
第3章高层隔震结构等效模型研究  39-54
  3.1. 引言  39
  3.2. 高层隔震结构的模型  39-44
    3.2.1. 两质点模型  39-40
    3.2.2. 三质点模型  40-43
    3.2.3. 多质点模型  43-44
  3.3. 三质点模型验证计算实例  44-53
    3.3.1. 剪切型高层隔震结构简化模型分析  44-51
    3.3.2. 弯剪型高层隔震结构简化模型分析  51-53
  3.4. 小结  53-54
第4章高层隔震结构高宽比限值研究  54-91
  4.1. 引言  54
  4.2. 高层隔震结构高宽比限值的推导  54-66
    4.2.1. 基本假定  54
    4.2.2. 边缘隔震支座受力分析  54-64
    4.2.3. 高宽比限值公式  64-66
  4.3. 高层隔震结构高宽比限值与隔震基本周期的关系  66-79
    4.3.1. 高层隔震结构高宽比限值从边缘支座不产生拉应力控制过渡到压应力不超过容许值控制的临界周期Tc r  66-67
    4.3.2. 高宽比限值与隔震基本周期的关系  67-74
    4.3.3. 高层隔震结构的最大隔震基本周期  74-79
  4.4. 隔震支座的布置对高层隔震结构高宽比限值的影响  79-80
  4.5. 高层隔震结构高宽比限值的确定  80-82
  4.6. 简化  82-85
  4.7. 修正  85
  4.8. 算例分析  85-89
  4.9. 小结  89-91
第5章高层隔震结构风振分析  91-105
  5.1. 引言  91
  5.2. 脉动风速的功率谱与相关函数  91-93
  5.3. 线性回归滤波器法（AR 法）  93-95
    5.3.1. 求回归系数  93-94
    5.3.2. 求给定方差的随机过程  94
    5.3.3. 求最终的 M 个随机过程  94-95
    5.3.4. 求最终模拟的人工风速时程曲线  95
  5.4. 高层隔震结构风速时程分析  95-104
    5.4.1. 高层隔震结构减震分析  96-97
    5.4.2. 高层隔震结构抗风分析  97-104
  5.5. 小结  104-105
第6章高层隔震结构扭转分析  105-118
  6.1. 引言  105
  6.2. 模型的建立  105-106
  6.3. 结构扭转特性分析  106-108
  6.4. 无附加偶然偏心双向地震反应分析  108-113
    6.4.1. 上部结构地震反应分析  108-110
    6.4.2. 隔震层地震反应分析  110-111
    6.4.3. 楼层位移比分析  111-113
  6.5. 附加偶然偏心双向地震反应分析  113-117
    6.5.1. 上部结构地震反应分析  113-114
    6.5.2. 隔震层地震反应分析  114
    6.5.3. 楼层位移比分析  114-117
  6.6. 小结  117-118
第7章高层隔震结构设计的一些建议  118-139
  7.1. 引言  118
  7.2. 高层隔震结构设计方法  118-123
    7.2.1. 适用范围  118-119
    7.2.2. 设防目标  119
    7.2.3. 隔震层布置  119-120
    7.2.4. 隔震支座计算参数的选择  120-121
    7.2.5. 地震动的输入  121
    7.2.6. 分析验算  121-123
    7.2.7. 上部结构与下部结构的分析与设计  123
  7.3. 设计实例  123-138
    7.3.1. 工程概况  123-124
    7.3.2. 隔震层布置  124-126
    7.3.3. 罕遇地震作用下验算及减震分析  126-133
    7.3.4. 风载下结构稳定性验算  133
    7.3.5. 隔震支座弹性恢复力验算  133
    7.3.6. 多遇地震下减震效果分析  133-138
  7.4. 小结  138-139
结论与展望  139-141
参考文献  141-150
附录  150-151
在学期间发表及投稿的学术论文  151

高层钢筋混凝土基础隔震结构减振研究

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