高层RC框架层间有害位移产生机理及减震控制研究

Harmful inter-story drift existing in the high-rise RC frame building excited by earthquakes has been widely recognized. However, the mechanism of the harmful inter-story drift and how to use the harmful inter-story drift for structural vibration control are hardly investigated. Therefore, this project is intended to carry out the following research works. First, using the time history analysis method and the pushover analysis method, a lot of seismic response analyses on the high-rise RC frame buildings are performed in order to discover the mechanism of the harmful inter-story drift. Furthermore, a simplified evaluation method for the harmful inter-story drift is proposed. Secondly, a displacement amplification device (DAD) using a gear-type mechanism and connected in series with an added damping and stiffness damper is design to magnify the harmful inter-story drift. Tests on the DAD are conducted to investigate the hysteresis properties and the low-cycle fatigue properties, and the mechanical model and the fatigue design criteria of the DAD are set up. Thirdly, the harmful inter-story drift based-design methods for seismic energy dissipation of the high-rise RC frame building are advanced, i.e. the improved Kasai's method and the improved capacity-spectrum method. Finally, numerical simulations and shaking table tests on the high-rise RC frame buildings with the DADs are done to approve the damping efficiency of the DAD and the feasibility of the improved methods. The research achivements will provide the technical means and the theoretical basis for practical engineering application.

工程界对于高层RC框架在地震作用下存在层间有害位移早已达成共识，但对于层间有害位移产生机理以及如何将其用于结构减震控制却认知不足。为了解决这一问题，本项目拟开展如下研究工作：采用时程分析法和pushover方法对高层RC框架进行大量地震反应分析，揭示层间有害位移产生机理，提出层间有害位移简化评估方法；将加劲阻尼器和齿轮机构联接起来开发位移放大型阻尼器，试验研究阻尼器的滞回特性和低周疲劳特性，并建立其理论模型和低周疲劳设计准则；提出基于层间有害位移的高层RC框架消能减震设计方法，即改进Kasai方法和改进能力谱方法；对安装有位移放大型阻尼器的高层RC框架进行数值计算和地震模拟振动台试验，以评价阻尼器的减震功效以及消能减震设计方法的可行性。研究成果可为实际工程应用提供技术手段和理论依据。

高层结构在地震作用下的层间位移包括有害位移和无害位移。目前关于结构层间有害位移的研究成果较少，且多适用于弹性结构，鲜有涉及弹塑性结构；而且，高层结构减震设计方法通常假定阻尼器变形等于层间位移，这与阻尼器变形是由层间有害位移产生的事实不符。鉴于此，本研究围绕高层框架结构层间有害位移以及减震控制展开研究，主要内容如下：.① 研发了多种新型阻尼器，包括自复位变摩擦阻尼器、局部削弱剪切钢板阻尼器、位移放大型阻尼器和分阶段屈服金属阻尼器，具有各自的性能优势。对各阻尼器进行了力学性能研究，并证明了各阻尼器均能有效抑制结构的地震响应。.② 研究了不同高宽比和地震输入下高层框架结构（RC框架和钢框架）的层间有害位移，揭示了层间有害位移的机理，指出层间有害位移在层间位移中的占比与结构的动力特性有关，与地震输入和结构所处的弹性或弹塑性状态关系不大，这对于初步设计阶段评估结构的破坏状态具有较重要的工程意义。.③ 建立了高层结构（RC框架、钢框架和双肢剪力墙结构）层间有害位移简化计算方法，钢框架考虑了P-Δ效应。简化方法可用于初步设计阶段快速计算结构在地震下的层间有害位移，满足工程精度要求。.④ 建立了基于层间有害位移的高层框架结构减震设计方法。该方法能实现结构减震的目的，但与基于层间位移的设计方法相比是否优越，尚需更多形式的高层减震结构进一步评判。.⑤ 在多模态Pushover分析方法基础上，在SRSS模态组合中引入模态质量参与系数，提出新的模态组合方式，可更准确地预测高层建筑的抗震性能。.⑥ 针对粘滞阻尼器减震结构，在位移法设计方法基础上，提出楼层附加阻尼系数正比于层间位移平方的分配方式，进而建立了优化设计方法，确保减震设计安全、经济和高效。. 研究成果可丰富高层结构的抗震性能评估和减震控制理论，具有较重要的科学意义和应用价值。