多点激励下新材料索悬挂结构体系减振理论与试验研究

In order to solve some problems such as cable prone to corrosion, fatigue, new materials (CFRP tendons) instead of steel or steel cable are used in suspension structure. Aim at earthquake excitation responses are rarely reported under multi-support excitations, the damping effects and seismic response law of suspension structures are analyzed based on using new materials, control theory, structural dynamics theory, experimental analysis of a combination of methods and with a comprehensive way of computer numerical simulation and shaking table test. This project will select new material cable suspension structure as the research object, establish the structure nonlinear dynamic equations by Hamilton method, analyze the basic principle damping of structure, write simulation of seismic wave by Matlab software, and then bring in the finite element structural model, and finally evaluate damping effect and identify the seismic response of the law by considering the effects of different seismic waves, different fortification, different connection between the primary and secondary structure ect. In addition, the size of the new materials’ anchor cable is determined by numerical analysis, design and optimization, and the anchorage performance is test through its assembly of static load test. The combination of CFRP materials, control theory and suspension structure provide a theoretical basis for the application of new materials and seismic design of these new structures.

针对新型结构——悬挂结构多点激励下的地震响应少见报道以及钢索易出现腐蚀、疲劳等问题，提出将新材料（CFRP筋）代替钢筋或钢绞线用于悬挂结构，分析多点激励下悬挂结构减振效果和地震响应规律。采用新材料、控制理论、结构动力学理论、试验分析相结合的方法，借助计算机数值模拟与模型的振动台试验相结合的综合手段，以新材料索悬挂结构为研究对象，通过Hamilton原理建立结构的非线性动力方程，对结构的基本减震原理进行分析；考虑不同的地震波、不同的设防烈度、不同的主次结构之间连接方式等因素的影响，对结构的减振效果进行评价，并找出地震响应规律，模拟振动台试验对理论分析结果进行验证。另外，通过数值分析设计、优化，确定新材料索锚具的尺寸，通过其组装件的静载试验，检验其锚固性能。本项目将悬挂结构、CFRP材料、控制理论结合起来，为新材料的应用、新型结构体系的抗震设计提供理论依据。

针对新颖结构——悬挂结构多点激励下的地震响应少见报道以及钢索易出现腐蚀、疲劳等 问题。本项目从两个方面就行了理论和试验研究：一是，悬挂结构在多点激励下的地震响应和减振效果的研究；二是，复合材料索锚具的设计和锚固性能的研究。针对悬挂结构主、次结构的基本特征、受力特点、变形特点、设计要点及振动控制原理，基于结构动力方程的求解方法，提出了多点激励下巨型框架减振结构体系的计算模型和相应的计算方法，推导了该结构的动力方程。设计并制作了相似比为1/20的巨型框架悬挂减振结构体系的振动台实验模型。通过研究动力试验模型结构的设计方法、相似理论以及相关规范，进行了试验模型材料的选取及模型结构的设计工作；按照试验模型施工方案的要求，成功完成了振动台试验模型的构件制作和整体拼装。巨型框架悬挂减振结构体系的施工工艺和减振系统的设计方法可以为今后悬挂减振结构体系的试验研究以及实际工程应用提供参考。试验过程中，通过改变地震动特性、地震波输入方向及主次结构的连接方式，对比分析了新型巨型框架悬挂减振结构体系和普通悬挂建筑结构体系（即主、次 结构之间为刚性连接）的动力特性、地震响应规律和减振耗能规律，考察了不同工况下主体结构的动力响应、悬挂楼盖的层间位移及悬挂楼盖与主体结构之间的相对位移的变化规律，深入对比研究了这两类悬挂建筑结构体系的作用机理和减振效果。改进原课题组设计的整体式CFRP筋夹片式锚具，多样化设计了夹片的数量，调整了缝隙的长度、宽度，并对夹片内表面作了处理，取消了锚环和夹片之间的锥角差，筋材和夹片间设铝套管等。通过直径10mm和直径12mm的CFRP筋夹片式锚具组装件的静载试验，检验其锚固性能。通过有限元软件ABAQUS的建模分析，探究了锚具内筋材上的应力分布情况，以及通过部分参数的调整对试验进行了分析，验证试验的可靠性。最后结合试验和有限元给出锚具改进建议。本项目的研究为CFRP材料的应用、新型结构体系的抗震设计提供理论依据。