偏心结构消能减震优化设计理论与应用基础研究

现代建筑造型新颖，功能复杂，偏心结构大量涌现。但大量震害调查和理论研究表明，扭转地震响应过大是导致结构破坏、甚至倒塌的主要原因之一。由于设计理论和方法的不完善，偏心结构中均匀设置阻尼器的减震效果不甚理想，严重制约新型结构体系的发展。本项目基于动态能量原理建立偏心结构地震动力方程和空间分析模型，揭示扭转地震响应规律和相应的科学判据。设置速度相关型阻尼器，考虑非均匀分布阻尼，建立偏心结构消能减震体系空间分析模型并进行相应的参数研究。基于现代控制理论，建立速度相关型消能减震偏心结构体系最优控制方程，研究阻尼器优化布置策略，提出相应的优化设计方法，实现不同地震水准下的响应控制。通过结构动力实验研究，比较并验证设置速度相关型阻尼器偏心结构的抗震性能。本项目研究，将完善偏心结构消能减震体系优化设计理论，提高其抗震性能，为工程应用提供科学的理论依据和有效的设计方法，具有重要的理论意义和广阔的应用价值。

由于设计理论和方法的不完善，偏心结构中均匀设置阻尼器的减震效果不甚理想，从而严重制约了新型结构体系的发展和广泛运用。本项目将偏心结构消能减震体系作为一个控制器，通过阻尼器在偏心结构中的位置和数量进行优化调整，对偏心结构消能减震体系的优化设计理论与应用基础进行了试验研究和理论分析。目前，已顺利完成项目计划内容，并取得了系列研究成果：.1、从粘滞阻尼器力学特性及计算模型相关理论出发研究了粘滞阻尼器对偏心结构扭转效应的作用与影响机理，找到了质量偏心、刚度偏心和强度偏心的扭转地震响应影响规律。.2、基于能量原理建立偏心结构地震响应分析模型进行数值模拟，找出了既能反映结构的扭转地震响应又能减小计算工作量的简化计算模型。提出了控制偏心率是控制偏心结构扭转地震响应和抗震性能的关键所在的科学判据。.3、基于现代控制理论，建立了地震作用下消能减震偏心结构的动力控制系统方程。.4、将偏心结构消能减震结构体系作为一个控制对象，研究增设粘滞阻尼器后对偏心结构自身平扭-耦联振动微分方程的影响发现在建立偏心结构振动微分方程中，应考虑阻尼器对阻尼矩阵影响的附加阻尼矩阵，并得出了方程中附加阻尼矩阵的求解过程。.5、以阻尼器的数量和位置为控制参数，分别以层间位移角和以层间位移角和位移比的加权组合两种目标函数，以顺序搜索法作为优化算法，实现了偏心结构中粘弹性阻尼器的空间优化布置，提出了以层间位移角和位移比的加权组合为目标控制函数的粘滞阻尼器的优化控制策略。并通过模型试验充分验证了这一最优控制策略既提高了偏心结构消能减震效果，又提高了偏心结构的抗震性能，为偏心结构消能减震的优化设计提供了理论依据和设计方法。