基于分布参数的高层框架-抗震墙隔震体系力学行为与性态控制研究

Due to setting isolation devices in high-rise frame-wall structural system, seismic wall will be discontinuous and isolation devices become supporters of substructure, which changes frame-wall isolated structrues into frame-supported frame-wall isolated structures. The safty of transfer components, seimic walls, reinforced parts of seimic walls and subtructures prove to be outstanding problems in this isolated system owning to P-Δ effects induced by accumulated deformation of susperstructure and large displacement of isolation devices under earthquake. Therefore, this project is aimed at evaluation of internal force distribution of high-rise frame-wall isolated structrue by using continuous-discrete mechanics models and discusses the mechanical performace under P-Δ effect induced by accumulated deformation of superstructure and large displacement of isolation devices. Nonlinear multi-scale finite element simulation is used to investigate the effects of shear wall discontinuity on the local response at the isolation level,to propose design strategy of transfer components and reinforced parts of seismic wall,and to obtain overturning mechanism. Through parametric sudies, the maximum allowable height-to-width ratio of such buildings is proposed.The evaluation methodology of random dynamic reliability for high-rise frame-wall isolated structrues is established under many compound factors and further the main control factors for deciding the performace of this isolated system are presented. Finally, a new piezoelectric semi-active control device, where a simplified and practical control algorithm that only needs velocity of isolation layer as feedback is developed, and used to enhance the performance of the conventional isolation system. This project serves as a basis for devlopment of a scentific framework for the analysis and design of seismically isolated high-rise buildings. The finidings of the project are of great theoretical and practical significance for prompting wide-spread use of seimic isolation technology.

在高层框架-抗震墙体系中设置隔震装置后，造成抗震墙竖向不连续，隔震支座成为上部结构的支撑，形成框支框架-抗震墙串联隔震体系，在地震作用下，上部结构累积变形及P-Δ效应影响抗震墙转换构件、加强部位及下部结构的安全，成为该体系一个突出问题。本课题通过建立带分布参数连续-离散化的力学模型，研究高层框架-抗震墙隔震体系在地震作用下的内力分布，探讨上部结构累积变形及隔震层大位移产生的P-Δ效应对结构力学行为的影响；研究该体系抗震墙竖向不连续对结构局部力学行为的影响，提出隔震支座的布置原则及抗震墙加强部位和转换构件定量设计原则，揭示其倾覆机理及高宽比限值；建立复合因素下高层框架-抗震墙串联隔震体系随机动力可靠度的评价方法，确定决定该体系性态主控因素；研制新型压电半主动控制器，探索压电半主动控制器对隔震体系性态控制机理，提出仅仅反馈隔震层速度的实用易于实施的控制策略。研究将为隔震技术的推广提供技术支撑。

在高层框架-抗震墙体系中设置隔震装置后，造成抗震墙竖向不连续，隔震支座成为上部结构的支撑，形成框支框架-抗震墙串联隔震体系，在地震作用下，上部结构累积变形及P-Δ效应影响抗震墙转换构件、加强部位及下部结构的安全，成为该体系一个突出问题。本项目考虑框架与抗震墙之间的相互作用，建立了高层框架-抗震墙基础隔震结构的动力分析模型，提出了高层框架-抗震墙隔震结构动力求解新方法。研究了上部结构累积变形及隔震层大位移产生的P-Δ对结构整体力学行为的影响。以实际工程结构为例，对分别采用不同支座选型方案的结构体系的减震效果进行对比，获得了抗震墙转换构件、加强部位、隔震层上下连接构件的局部力学特性，结果表明，中型支座的布置方案能有效控制隔震层及上部楼层的地震响应，使抗震墙转换构件、加强部位、隔震层上下连接构件的局部力学更趋于合理。.进行了高层框架-剪力墙隔震结构合理剪力墙刚度的研究，获得了地震作用下合理剪力墙刚度值的计算方法，提出了合理剪力墙工程设计方案。进行了高层框架-抗震墙串联隔震体系倾覆机理及高宽比限制研究，推导在不同设防烈度、不同场地类别、不同地震分组下的高宽比限值。提出了剪力墙较合理的平面布置方案，以提高结构的抗倾覆性能；研发了控制隔震层位移的半主动压电阻尼器和半主动压电摩擦阻尼，提出了其力学模型；进行了控制隔震层位移的混合隔震和智能隔震研究，以此控制结构的性态。对高层框架-抗震墙串联隔震体系随机激励下响应与动力可靠度进行了研究，获得了控制高层框架-抗震墙串联隔震体系失效的主控模式和失效概率。基于NSGA-Ⅱ遗传算法，提出了控制隔震层位移的混合隔震结构体系的优化设计与分析，揭示了被动阻尼器控制隔震层位移的机制，提出了确定被动阻尼器参数的工程设计方法。已发表学术论文26篇，其中EI期刊10篇，申请发明专利13项，其中授权8项。研究结果为隔震技术的推广提供技术支撑。