基于拟力法的消能减震结构非线性动力反应理论及实验研究

拟力法以位移变化替代以往通过刚度变化求解非线性的思想，减少了刚度的存储空间，提高了求解效率和稳定性，为消能减震结构的非线性动力反应分析提供了理想的途径。本项目通过塑性铰外移、消能装置安装对结构构件受力影响和框架结构柱端破坏影响因素三个层次的逐步研究，首先，建立考虑塑性铰外移和柱端塑性铰的结构模型，完善和发展已有的拟力法非线性计算理论；然后，进一步确立与消能装置和消能支撑相适应的理论模型，提出基于拟力法的消能减震结构非线性动力反应计算方法；并且利用拟力法和基于能量的分析方法，建立弹塑性单自由度系统塑性能量谱，为基于损伤的性能设计提供一种新的方法；最后，通过实验验证所提出理论的正确性和有效性，为消能减震技术的工程应用提供科学支持和依据。

拟力法以位移变化替代以往通过刚度变化求解非线性的思想，提高了求解效率和稳定性，为消能减震结构的非线性动力反应分析和能量分析提供了理想的途径。本项目主要从以下几个方面开展了研究工作：（1）对拟力法基本原理进行分析讨论，改进并完善了拟力法非线性计算理论。给出拟力法的弯矩表达式及物理意义并验证了刚度矩阵间关系式的正确性；建立了考虑塑性铰外移的消能减震结构力学模型，分析表明，塑性铰外移对结构各层响应、耗能装置恢复力与耗能、结构塑性铰分布与塑性耗能分布均有影响；对只考虑梁端、柱底塑性铰与同时考虑梁柱构件两端可能塑性铰位置的结构模型进行对比分析。相关内容发表国际会议论文2篇，中文期刊论文1篇，指导硕士2名，其中1人已毕业。（2）建立基于拟力法的消能减震结构力学模型，提出基于拟力法的消能减震结构非线性动力反应计算方法；提出基于拟力法的速度型阻尼器位置优化方法，建立了两种新的阻尼器位置优化指标，可以一次性确定阻尼器的位置，并精确到具体跨间，为阻尼器优化提供了新的思路和手段，将各种阻尼器优化方法进行对比，为阻尼器优化及被动消能减震技术的工程应用提供科学支持和依据。相关内容在国际期刊发表论文2篇，均为SCI&EI检索，指导硕士1名。（3）对基于拟力法的弯曲型剪力墙结构的理论模型进行了初步研究，以塑性铰转动为局部位置参数，基于已有的剪力墙结构弯矩-曲率关系计算方法，依据平截面假定建立了基于开裂点、屈服点、峰值点和极限点的四线性恢复力模型；依据拟力法的能量分析，结合基于“未损结构和已损结构能量变化”的损伤模型，建立了弯曲型剪力墙基于拟力法的损伤指标计算方法。相关内容发表国际会议论文1篇，已录用中文核心期刊1篇，指导硕士1名。（4）基于拟力法基本理论建立多自由度体系和等效单自由度体系塑性耗能计算公式，提出基于等效单自由度体系估算多自由度体系塑性耗能的方法，概念清晰、计算简便、有效；探讨分析了结构自振周期、屈服强度系数、刚度折减系数、阻尼比以及地震动强度、频谱特性、持时等因素对结构塑性耗能的影响。指导硕士1名，相关内容已投稿论文1篇。（5）采用实验对钢框架结构塑性铰外移机理进行研究，制作实验模型，通过对结构顶点施加单调荷载，观察结构试验模型的极限状态下塑性铰的位置、极限荷载、延性性能以及最大塑性转角等，得出钢框架结构延性节点塑性铰外移的本质。相关研究内容已投稿国际期刊论文1篇。