消能冗余伸臂框架—芯筒体系的损伤破坏与减震控制研究

This project proposes a novel damped redundent outriggers structure system. A general simplified dynamic analysis model will be developed, which can be used for both outrigger structure and damped outrigger system, therefore a partial differential equation governing the motion can be derived. A closed-form analytical solution is developed to gain insight into the influencing rules of outrigger position, damping effect and stiffness of core, columns and outrigger. The optimal placement of asismic outriggers and damped outriggers, optimum damping coefficient and resonable stiffness ratio of core and frame-columns to outrigger can be obtained. A smart piezoelectric damper with anti-wind locking device will be developed for the novel damped outrigger system. The reliabity of the novel system and its sensitivity is investigated under randam excitaion and structure parameters for convenient design of the novel damped redundent outriggers structure system. Damage mechanism and collapse failure mode of this damped redundent outriggers structure system will be studied and, the seismic energy dissipation distribution regularities will be analyzed and compared with the corresponding outrigger structure. A performance-based design method for the novel damped redundent outriggers structure system is put forward. This project can provide necessary scientific and technological support for applying the technology of energy dissipation to giant damped outriggers frame-corewall structures, which is of theoretical and practical significances and good application prospect.

本项目针对巨型伸臂框架-芯筒体系，提出将抗震赘余伸臂设计成消能伸臂，形成消能冗余伸臂框架-芯筒体系。建立该新型消能体系的通用动力分析模型，推导出该体系的动力特性与地震响应解析解，揭示抗震伸臂与消能伸臂的最优位置，消能器参数和芯筒、框架等结构参数对其动力特性与减震性能的影响规律。研发一种具有抗风锁定功能的压电智能阻尼器，可最大限度地发挥该结构体系的抗风减震性能。研究结构与消能器随机参数下该消能冗余伸臂框架-芯筒体系的可靠度及其灵敏度，分析该新型结构体系在强震下的损伤机理和破坏倒塌机制，探讨该新型体系的地震能量耗散分布规律特征。在此基础上提出该消能冗余伸臂框架-芯筒体系基于性态的抗震设计方法。该项目的研究将有利于改善传统伸臂框架-芯筒体系在强震下的抗震性能，具有重要的科学理论价值、现实意义与应用前景。

本项目针对伸臂框架-芯筒体系，提出了将抗震赘余伸臂设计成消能伸臂的消能冗余伸臂框架-芯筒体系。项目组提出了该体系通用动力分析模型，该模型可反映任意位置处伸臂固结、断开或设计为消能伸臂的工况。基于该模型，项目组推导了消能伸臂对芯筒作用的等效扭转弹簧复刚度，结合动力刚度法、数值装配法和有限元法推导该体系的动力特征方程，对伸臂数量、位置和刚度、阻尼器参数、芯筒和外框柱刚度等因素作参数化分析，进而利用快速傅利变换和逆傅利叶变换计算结构在地震作用下动力响应，并与有限元法计算结果比较验证。提出了地震作用下随机优化流程, 运用遗传算法和Pareto最优边界选取最优设计参数，基于H∞性能指标和Clough-Penzien谱模型分析了各消能伸臂体系的减震参数及其减震效果。研发新型压电变摩擦阻尼器和压电-SMA复合变摩擦阻尼器，并进行试验研究和有限元分析。利用Gauss-Hermite积分降维算法研究参数灵敏度和控制鲁棒性，基于概率密度演化理论和首次穿越理论，分析阻尼器参数、地震动加速度峰值和场地条件等随机因素对结构动力可靠度的影响。对设置电涡流阻尼器消能冗余伸臂体系进行振动台试验，并与SAP2000有限元分析结果比较；分析了地震输入能量在该体系中传递、转化和消耗等规律，利用ABAQUS建立有限元模型并进行动力弹塑性分析，研究体系在长周期地震动作用下的减震性能和损伤演化过程。研究体系中设置MR阻尼器、调谐惯容阻尼器和旋转惯容阻尼器的减震性能，采用无迹Kalman滤波器进行模型修正的混合动力试验模拟。工程应用示例展示了本项目的理论指导意义和工程应用前景。