TMD型防屈曲支撑性能及减震基础理论实验研究

To the requirements of earthquake disaster prevention, performace-based function and lifetime cost for significant buildings, this project presents a new functional buckling-restrained brace with tuning mass damper and metallic yield damper(TMD-BRB). Study includes construction research and optimization, seismic fatigue of material, tuning mass dampered and energy dissipation effect. The optimal technique, earthquake reduction ability and mechanical model will be confirmed. This kind of dampers functional not only its energy dissipation under both design or rare earthquakes, but also have its tuning mass damping under frequent earthquakes or winds. It may make up some insufficients of ordinary metallic yield dampers, such as leaving unused usually, effectiveless for high and flexible, or long span structures. With its highly intergrated technologies, the technology supplies the buildings with enough seismic ability uder multi times and levels of earthquakes, and thus increasing structural performance, protecting non-structural members and ensuring emergency functions, as well as simplifing the construction procedures. This work may suit new-built or retrofitted main kinds of buildings, some bridges. It is a green new technology consistent with scientific creation, innovation and practicality.

针对大型及重要建筑抗震防灾、功能性态及终身造价的需求，提出研制具有调谐质量阻尼减振和金属屈服消能减震功能的新型屈曲约束支撑（简称TMD-BRB）及相关技术。包括构造研究及参数优化，材料疲劳研究，构件调频减震及消能减震效果研究，明确新型阻尼器最优工法、减震性能以及相关力学模型。该阻尼器既能在设防和罕遇烈度下消能减震，又能在多遇烈度和风振下调频减震，弥补了现有金属屈服型阻尼器的明显不足，例如国内外都存在的普通BRB长期闲置，除刚度外难以发挥其它有利作用；对某些高柔结构或大跨结构普通BRB难以单独发挥作用。同时实现多项技术"集约化"，对提高土木结构承受多次多水准地震打击能力和结构性态，保护主体和非结构构件，保障建筑物应急功能，简化构件制作安装及设计程序等均有实际意义。成果对各种主流建筑和部分桥梁的新建及加固也都适用。是一项符合科学发展，具有科技创新实用性的绿色环保新技术。

针对大型及重要建筑，特别是高、柔结构抗风抗震，提高舒适性、功能性和抗震性能，提出了具有调频质量减振和消能减震功效于一体的复合型消能减震装置TMD-BRB，对该装置及设置该类装置的框架结构分别进行了TMD减振和BRB减震功能的试验研究。主要包括TMD-BRB装置构造及性能研究、钢支撑-框架及BRB-框架动力性能对比研究、设置TMD-BRB装置的框架结构消能减震性能试验研究、设置TMD-BRB装置的框架结构振动台试验研究等。.研究成果有三方面创新和突破：一是发明具有TMD和BRB双重功效的复合型消能减震（振）装置，经测试可为高层建筑同时解决风振和地震设防问题提供一项高效的硬件技术。二是发现设置普通钢支撑的框（排）架结构存在非弹性扭转现象，该现象具有突增性和几何空间畸变性，是强震下结构发生落架、倒塌的一个重要原因，研究确定了影响范围，提出了对策建议。三是提出了设置TMD-BRB装置的框架结构减震（振）设计理论，包括TMD参数设计方法，附加阻尼比的计算方法，基于性态的TMD-BRB初始参数设计方法及参数优化方法，以及非线性建模及分析方法。.TMD-BRB抗风启动早，可在层侧移角1/1000以内向主体结构提供减振惯性力，比单独使用BRB（层侧移角大于1/550）拓宽了范围，比分别设置TMD和BRB节省了空间；TMD-BRB的消能减震功能、低周疲劳性能和防拉断性能与普通BRB持平。TMD功能开启时，设置该装置的框架结构可获得好于BRB消能减震的效果，试验表明罕遇地震下最大层侧移角可控制在1/300以内，TMD振子振幅可准确控制在设计范围内（试验模型TMD最大振幅为26mm，表明可控制在最大层间位移的10倍以内），证明了其具有很高的设计可行性。比同时使用TMD和BRB的建筑可望节省室内面积10%，比同时使用粘滞阻尼器和BRB可望节省造价15%。课题组参与的采用BRB的实际工程，经设计实践检验，地震底部剪力减小5-36%，等效阻尼比增加5100%，结构总造价可减小1.1-6.1%，具有明显的技术经济效益。.本项研究为设置TMD-BRB装置的结构减震（振）提供了计算理论和关键技术，为系统形成实用完善的抗风抗震设计方法奠定了科学基础。