消能减震结构的设计方法研究

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传统结构的抗震设计基本以实现三水准为目标,即“小震不坏、中震可修以及大震不倒”。而这种设计逻辑是基于生命无价的理念,为大多数结构物抗震设计的基本方针。然而,依上述基准设计的建筑物往往在地震之后,虽然未发生结构倒塌的严重破坏,但是破坏的实际情况却导致建筑物原有使用机能的中断与丧失,甚至造成建筑物的非结构元件、硬件设备与财物等破坏,这些往往比建筑结构本身的破坏造成更大的财产或机能损失,这种情况尤其经常在我国各科学园区的高科技厂房中发生。在现今重视高效率的产业需求与高水准的生活环境下,结构的抗震性能及地震发生后功能性恢复,已深受国人重视,再加上近年来国际间发生数次重大地震灾害,结构消能减震技术的研究更是各国的重要课题。消能减震结构的推广不仅依赖于阻尼器的研发,更依赖于成熟的消能减震设计方法。本文对消能减震设计方法进行了具体研究,主要内容如下:(1)简单介绍阻尼器分类及其力学模型,并以单自由度体系为例,从反应谱及能量的角度说明消能减震结构控制地震反应的原因。(2)就目前常用的两类消能减震结构设计方法(拆分设计法和一体化设计法)做出说明比较。其中拆分设计法的设计思路是将主体结构与消能装置分开考虑,即在不考虑消能装置的前提下先进行主体结构的设计;一体化设计法的设计思路是将将主体结构与消能装置作为一个整体考虑,从而进行设计。从中发现拆分设计法的设计思路更加适用于对既有建筑的加固。(3)以日本普遍采用的消能减震拆分设计法为理论基础,结合我国的抗震设计规范,总结出一套适用于我国的消能减震工程加固法。该加固法以反应谱理论为基础,通过绘制的减震性能曲线优化选择阻尼器数量,最终达到最初设定的减震性能目标。该方法避免了以往凭工程经验试加阻尼器,然后通过时程分析反复试算的迭代过程。(4)利用拆分设计法对一个中学教学楼进行减震加固分析,分析结果表明:以本文所述的拆分设计法对既有建筑进行消能减震加固后,既有建筑完全能够达到提高1度抗震性能目标的要求。反之,若拟建建筑采用该方法进行消能减震设计时,可降低1度抗震设防烈度先进行主体结构设计。(5)本文提出了一种消能减震结构的能量设计方法,该方法主要基于弹性体系,即结构在地震中框架单元不产生塑性损伤。地震输入的能量将由结构自身阻尼比及阻尼器附加给结构的有效阻尼比共同耗散,并按照各自阻尼比按比例分配能量。在国外研究资料的基础上,以我国抗震设计规范划分的场地特征周期插值计算适合于我国的能量反应谱。(6)利用能量设计法对中学教学楼进行减震分析,分析结果表明:以本文所述的能量设计法对拟建建筑进行消能减震设计后,拟建建筑能够实现中震基本弹性。拆分设计法适用于既有建筑的加固,并能够满足提高1度的性能目标。能量设计方法既适用于既有建筑的加固设计,又适用于拟建建筑的设计,其目标都是实现地震作用下的基本弹性。对于一些特别重要的建筑,业主会提出提高性能目标的要求,因此能量设计法将是一个不错的选择。由于本文所提出的两种消能减震结构设计方法均契合于我国抗震设计规范,希望对我国消能减震结构的推广起到一定积极作用。
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