减震结构动力抗震性能评价指标与统一设计方法研究

In this research, a unified mechanical model is proposed to simulate both displacement dependence and velocity dependence of all kinds of major dampers in terms of nonlinear viscous element, and a unified design method and a seismic performance index for nonlinearly behaviored structures added with dampers are constructed based on this model.The unified mechanical model for energy dissipation dampers simplifies the mechanical description of various types of dampers, including the displacement-dependent and velocity-dependent dampers, unifies the design methods for passive control structures. It will promote the better understanding and application ability of designers on passive control technology. The design method proposed for pasively controlled structures, produce optimum damper design based on tuning of equivalent stiffness of main structure.Because the energy dissipation is realized during strutural dynamic response, and consequently the displacement and acceleration response of structure can be reduced, it is considerd that the seismic performance of passively controlled structures is dependent on the earthquake input. Then a seismic performance index is proposed, in which the strength, ductility of main structure and earthquake input level are included. The theoretical formula for the dynamic seismic performance index will be constructed, and numerical analysis on structural models over a wide range of parameters will be carried out to find a target index which can be used as the desgin target for passive control structure design.

本研究以非线性粘滞单元为基础，提出一个可模拟各类阻尼器的位移相关性和速度相关性的统一的力学模型,并以此模型为基础，建立一种用于非线性结构的统一的减震设计和动力抗震性能评价方法。统一力学模型的建立可简化各类耗能构件的力学描述，整合各种阻尼器的减震设计方法，促进设计人员对减震结构的理解和运用能力。提出的非线性结构减震设计方法，通过对弹塑性结构的等价刚度的调节，可得到优化的满足弹塑性目标变形角的耗能构件设计值。由于减震结构的耗能作用是在动力反应中实现，而使结构的位移和加速度反应得到控制，因此本研究在结构的抗震性能指标中引入地震荷载水准的概念，将结构的抗震性能与地震荷载水准相关联，提出一个包含结构强度，变形能力，地震荷载水准等因素的结构的动力抗震性能指标。最后通过大量数值分析找到满足减震结构设计需要的目标动力抗震性能指标，为减震结构的设计或相应规范的形成提供量化的参考依据。

减震结构在近年已得到广泛应用，在减震控制设计理论上，开发实用高效的减震设计方法，实现减震耗能装置的工作效率的提升，达到结构性能要求和经济性的有效结合是目前研究工作的主要内容之一。本项目首先提出了用于弹塑性结构减震设计的基本框架，以钢筋混凝土结构和钢结构采用滞回型阻尼器进行减震控制情况为例，研究了单自由度结构体系的动力特征参数随阻尼器参数的变化规律，提出了弹塑性减震结构体系的性能曲线方法，建立了多层弹塑性结构的阻尼器参数的分配方法，并对有多种参数分布的结构模型实施了大量的时程分析，验证了所提出的减震设计方法的有效性。该方法还可推广至其他类型的主体结构和其他类型的耗能阻尼器的组合，方法简单易行，具有很好的工程应用价值。其次，本项目重点研究了近场脉冲型地震动的反应谱阻尼调整系数。通过量化评价指标选取了50条脉冲型地震动，对其反应谱的阻尼调整系数进行了统计分析。通过对比发现脉冲型地震动的脉冲周期对阻尼调整系数有重要影响，考虑脉冲周期影响的阻尼调整系数表现出更小的离散性。基于该结果本项目提出了考虑脉冲周期的阻尼调整系数，并对中国抗震规范的阻尼调整系数的可靠度进行了评价。发现在小阻尼比时，规范值与所选地震动阻尼调整系数平均值接近，在高阻尼比时，在脉冲周期附近区域规范值较为保守，在相对短周期区域，规范值可靠度较低，存在过高估计阻尼减震效果的风险。通过此研究，建议在进行针对脉冲型地震动的减震设计时，充分考虑地震震级、脉冲周期和阻尼减震效果的综合影响。