镁合金减隔震构件在结构抗震和抗风中的应用

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多种自然灾害中,地震和风灾是两种比较常见的自然灾害,除了抗震、抗风设计之外,减震(振)控制也是目前减轻地震和风振影响的重要手段。在经历了多年的发展后,屈曲约束支撑(buckling restrained brace,BRB)、调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)、粘弹性阻尼器以及智能阻尼器等消能减震构件,技术越来越成熟,新型消能减震构件不断涌现,目前正朝着应用新材料、新结构形式、新控制方式以及便于生产、运输、施工和具有更加优越的耗能和减震复位能力等方向发展。以镁合金为代表的轻质合金是一种重量轻,强度高,变形能力强的高性能材料,已经在生物医用、电子产品、高速列车等领域广泛应用,在土木工程领域,轻质合金材料的应用还需进一步发展。为此,论文在前期镁合金屈曲约束支撑的可行性研究及初步应用的基础上,充分利用镁合金强度高,变形能力强的特点,进一步探讨用镁合金代替各类减震消能构件中低强钢材以提高构件减震消能性能的可行性和优势;以同时减轻脉动风和地震引起的结构振动为主要研究目标,提出了采用镁合金制成的新型BRB、TMD构件和叠层橡胶支座,研究了上述构件在减轻由风、地震引起的结构振动的减震(振)效果及其影响因素和规律。论文的主要内容和结论包括:(1)推导并建立了风荷载反应谱及风振分析的振型分解反应谱法的方程。根据Vanmarcke的理论,推导了随机过程功率谱密度函数与过程最大绝对值之间的公式,以此为基础,利用单自由度体系的频响函数,推导风荷载反应谱的理论计算公式,研究了其影响因素;基于多自由度体系的运动方程,推导了用于风振分析的振型分解反应谱法,并以某32层高层建筑为算例,验证了方法的有效性。与我国荷载规范中采用风振系数考虑风振动力效应的方法相比,本文提出的风振分析的振型分解反应谱法可考虑结构更多振型的影响,因而更为精确,同时又比时程分析法更简便。(2)研究了风振时程分析的样本容量问题。设计了单自由度结构、32层高层建筑结构以及输电塔结构,分析了不同评判精度和评判指标下各样本容量组合对应的保证率,给出了三种结构体系的样本容量建议值。单自由度体系建议用2组风振时程曲线分析结果的平均值;对于输电塔等风荷载起控制作用的结构,建议采用5组风振时程曲线分析结果的平均值;对于地震作用起控制的结构(如高层建筑),建议采用3组风振时程曲线分析结果的平均值。(3)由于脉动风和地震动的频谱特性存在差异,所引起的结构动力反应的变化规律不同,并非所有的减震构件均可同时减小脉动风和地震引起的结构振动。因此,论文分三种情况:风荷载起控制作用的结构、地震作用起控制作用的结构、地震和脉动风共同起作用的结构,以探讨各类减震构件的设置策略和减震效果。对于风荷载起控制作用的结构(如输电塔结构),提出了使用镁合金防屈曲支撑和由镁合金组成的TMD减震体系,以及两者共同使用的减震方法。结果表明:当输电塔结构处于高烈度区时,用支撑和TMD组合方式减震比较合理,可同时较大幅度地减轻风和地震引起的结构振动;当输电塔结构处于低烈度区时,镁合金支撑效果不明显,而镁合金组成的TMD体系减震效果比较好。(4)对于地震作用起控制的结构(高层建筑),提出了将各楼层中的家具倒塌也作为衡量减震效果的一个标准,对比了使用镁合金屈曲约束和镁合金组成的TMD减震体系以及两者联合使用的减振效果。同时,还从舒适度和安全性角度,对比了加速度和层间位移角在结构减震(振)前后的差异,验证新技术在高层建筑结构中减轻风和地震作用下结构振动的有效性。(5)对于受风荷载和地震作用共同影响的结构(悬崖酒店),提出了镁合金橡胶支座隔震技术。将钢橡胶隔震支座和镁合金橡胶隔震支座性能进行对比,发现:镁合金隔震支座具有更稳定的刚度特征,综合考虑耗能和复位能力两个因素,镁合金隔震支座效果好。研究了将TMD减震体系和镁合金隔震支座共同用于悬崖酒店结构,从结构舒适度和位移以及构件受力方面,对比了使用减震措施前后结构响应差异,验证了TMD减震体系和镁合金隔震支座的有效性。论文的创新点可归纳为:(1)推导了风荷载反应谱的理论计算过程,研究了其影响因素;基于多自由度体系的运动方程,推导了用于风振分析的振型分解反应谱法,并验证了该方法的有效性。设计了单自由度体系结构、高层建筑结构以及输电塔结构模型,分析了不同判别精度和判别指标下各样本组合的保证率,提出了风振时程分析的样本容量建议值,为结构风振时程中样本容量的确定提供了参考。(2)提出了镁合金BRB和新型镁合金TMD减震(振)体系,验证了其在高层建筑和输电塔结构中减轻风和地震作用有效性并研究了其规律,为后续的结构设计提供理论指导。(3)出于保证结构适用性的考虑,提出了将各楼层中的家具倒塌或者摇摆程度作为衡量减震效果的一个标准。(4)提出了新型镁合金橡胶隔震支座方案,并将其与新型TMD构件组合形成了新型减震隔震体系,验证了其控制风荷载和地震荷载作用下结构的响应的有效性。
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