弹簧-阻尼减振支座的力学性能研究及其在大悬挑结构风振控制中的应用

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大跨空间结构工作特点是通过空间形态或者三维形态来抵抗外力,因其丰富多样的造型、良好的整体性及受力特性而被广泛应用于各种标志性建筑中,但此类结构具有重量轻、自振频率低、阻尼小、柔度大等特点,导致结构对风荷载十分敏感,遭受风灾破坏概率较大。为提高大跨空间结构的抗风性能,本文设计制作了一种由圆柱螺旋弹簧与筒式粘滞阻尼器组合而成的弹簧-阻尼减振支座,并针对弹簧-阻尼减振支座的力学性能与应用中的关键问题展开以下方面的研究:(1)对研制出的弹簧-阻尼减振支座开展力学性能试验,研究加载频率、位移幅值、静位移以及反复加载圈数对支座力学性能参数的影响,并采用Kelvin模型对弹簧-阻尼减振支座的滞回曲线进行拟合,提出力学计算模型。研究表明,支座滞回曲线饱满、力学性能稳定且耗能性能强,且模拟值与试验值吻合较好。通过上述试验与理论的有机结合,较好的把握了支座的基本力学特性。(2)基于风洞试验得到的风压数据计算出体育场表面风荷载,采用有限元软件Midas Gen将风荷载时程施加在体育场结构上并进行风振响应分析,分别对安装弹簧-阻尼减振支座前后的结构典型节点的位移、加速度响应进行比较,评价弹簧-阻尼减振支座的风致振动控制效果,结果表明,设置支座可以较明显地减小风振响应,最大减振效果可达92.16%。改变支座布置方案,分别讨论支座布置位置与数量对风振控制效果的影响,研究表明,将弹簧-阻尼减振支座布置在尾柱顶部的方案具有更好的减振效果,适当减少支座布置数量对结构风振响应影响较小。(3)基于响应面法建立弹簧-阻尼减振支座参数与结构风振响应间的关系,并根据Kriging模型所预测的方差确保模型精确度。在此基础上对大悬挑结构进行支座参数优化,优化结果表明,在使用支座进行减振设计时,其刚度按照仅提供支撑作用的标准来设定,其粘滞阻尼系数可根据减振目标来设定。针对大悬挑结构,分别采用局部灵敏度、全局灵敏度分析方法考察支座刚度与粘滞阻尼系数对结构风振响应的影响,研究表明,结构风振响应对支座刚度的局部灵敏度随刚度的增大而减弱,对粘滞阻尼系数亦然;支座粘滞阻尼系数对结构风振响应不确定的贡献率占主导地位。
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