长周期地震下高层建筑中多重TMD楼板减隔震体系的减震机理和优化设计

Strong earthquake ground motions occur frequently in recent years. Long vibration duration and large vibration amplitude of high-rise structures subject to long-period ground motions, such as the 2011 Great East Japan Earthquake, were reported to be an emerging problem, while the corresponding research is fairly limited. This study will investigate a multiple tuned mass damper (MTMD) floor isolated system for seismic vibration control of high-rise buildings where flexural deformations should be considered. Analytical deduction, experimental investigation and finite element numerical simulations will be conducted. The control effect of vibration response mitigation and living comfortability improvement of the high-rise building structures with the MTMD floors integrated system will be investigated. In this study, the stability maximization criterion will be employed to ensure the transient response component and free vibration response decay the most rapidly. The seismic response mitigation mechanism will be clarified based on energy flow analysis of the system, and then optimum design of the number and location of the isolated floors will be carried out. The rigid floor assumption doesn’t hold due to the fact that the floors are isolated from the main structure, and the effect of in-plane shear deformation on the seismic control of the MTMD floor system will also be studied. Seismic design recommendations will be proposed for the MTMD floor system. The expected achievements are of significant academic and practical importance to advancement in the safety, comfortability and resilience of high-rise building structures under strong earthquake ground motions.

地球进入强震频发时期，东日本311大地震中发现高层建筑在长周期强震下晃动时间过长、振幅过大、残余变形大等问题，给高层建筑的研究设计领域敲响了警钟。本项目将以理论、试验和仿真相结合的方法，系统地研究一种多重调谐质量阻尼器（MTMD）楼板减隔震体系对弯曲变形不可忽略的高层建筑的居住舒适度改善及震动响应控制的效果。体系将楼板与主体结构分离，采用楼板作为TMD对主体结构进行控制，不仅大幅减少主体结构水平地震力，同时由于隔震效果楼板自身的加速度也大幅减少。本项目将采用稳定度最大化法优化设计体系控制参数使瞬态响应与自由振动最快地衰减；从能量流动角度细致、系统地揭示减震机理并优化隔震楼板数量与布置位置；考察主体结构楼板面内变形对体系减震效果的影响；提出MTMD楼板减隔震体系的设计建议。预期成果对有效提高我国高层建筑结构在强震下的安全性、居住舒适度及震后建筑功能的快速恢复性具有重要的学术和工程意义。

长周期地震动下高层建筑结构的安全性和居住舒适度问题已成为结构控制领域亟待解决的重要课题。本项目提出了适用于高层建筑的水平抗侧力与竖向承重分离的多重TMD楼板减隔震结构体系，外围抗弯框架承担水平荷载，竖向自承重主结构采用梁贯通式框架且柱端铰接，内外框架之间通过提供刚度和阻尼的阻尼器相连。引入多重调谐质量阻尼器的设计原理，给出了体系的主要控制参数和相关参数的优化设计方法，控制目标既包括结构的安全性（如控制层间变形），又涵盖舒适度（如控制各层的绝对加速度以及振动时长）。针对所提的多重TMD楼板减隔震结构体系，建立了理论分析模型和动力学方程，提出了该体系中连接阻尼器的屈曲临界刚度的求解方法。针对连接阻尼器的刚度和阻尼等优化设计参数提出了以H2控制理论和稳定度最大化理论（SMC）为优化目标函数的多目标优化设计方法及其设计流程，并通过MATLAB进行了实现。本项目对所提结构体系进行了小型原理模型振动台试验，通过振动加载试验，验证了该体系的减震效果。通过试验结果与理论分析结果的对比，验证了理论分析模型以及优化设计方法的正确性。基于美国SAC机构设计的3层、9层和20层Benchmark结构进行了所提减震结构体系的有限元分析计算。通过非线性时程分析发现该结构体系对抗侧力框架的层间位移角与竖向承重框架的绝对加速度具有理想的控制效果，而且能够同时减小结构低频和高频下的动力响应。此外，通过参数分析发现调整抗侧框架刚度使连接阻尼器的刚度优化值大于屈曲临界刚度可以达到显著的减震控制效果。从实际工程角度出发，提出了适用于所提结构体系的简明降度减震设计流程，通过算例分析证明了降度减震设计方法的可行性。本项目研究成果对有效提高我国高层建筑结构在强震下的安全性、居住舒适度及震后建筑功能的快速恢复性具有重要的学术和工程意义。