地震动水平-摇摆分量作用下具有悬吊质量结构体系地震反应研究

具有悬吊质量结构体系是工程结构中常用的一种结构形式，在地震动水平-摇摆分量作用下悬吊质量将产生大摆幅振动和较大的离心力作用，按常规方法将悬吊质量简化为水平刚度系数进行分析，将低估主体结构的地震效应，导致主体结构存在安全隐患。本项目将对具有悬吊质量结构体系在地震动水平-摇摆分量作用下的地震反应进行系统研究。主要内容有：1）推导地震动水平-摇摆分量作用下具有悬吊质量结构体系的几何非线性动力方程，方程中悬吊质量直接采用单摆模式，考虑大摆幅的几何非线性特征；2）完成由水平和竖直地震波时程提取摇摆地震波时程的程序编制，并通过试验验证该方法的正确性；3）建立悬吊质量的粘滞阻尼和摩擦阻尼结合形式的计算方法；4）通过振动台试验和实际结构测试掌握具有悬吊质量结构体系的动力特性，检验并完善理论分析方法；5）建立地震动水平分量和水平-摇摆分量作用下具有悬吊质量结构体系实用的抗震设计方法。

对地震动水平-摇摆耦合作用下具有悬吊质量结构体系地震反应进行了系统的研究，完成了项目所要得到的目标，本项目取得的主要研究成果包括：. 1、建立了地震动水平-摇摆和水平-竖向-摇摆耦合作用下具有悬吊质量结构体系分析方法。推导了具有悬吊质量结构体系在地震动水平-摇摆和水平-竖向-摇摆耦合下的动力方程，方程中考虑了悬吊质量转动惯量和索动拉力的影响。以某具有悬吊质量的阀厅结构为原型，进行了模型振动台试验，探讨了结构在地震动水平、摇摆、水平-摇摆和水平-竖向-摇摆耦合作用下的地震效应。试验和理论研究结果表明：相较于水平地震动作用下，悬吊质量对摇摆地震动作用下主体结构的减震效果更加显著；随着钢索或弹簧长度增加，悬吊质量对主体结构的减震效果降低，将拉索由钢索改为同等长度的弹簧后，结构顶层的加速度响应和位移响应变化不大，但拉索动拉力却明显减小。本项研究成果为具有悬吊质量结构设计和TMD控制计算提供了理论依据。. 2、提出了采用频谱窗获取地震动转动分量的方法。基于强震时单摆式地震仪中水平摆和竖向记录的断层附近地面地震动时程数据对摇摆分量的灵敏度不同的原理，即水平摆记录的水平地震动数据中包含了摇摆分量的影响，而竖向摆记录的数据未受到摇摆分量的影响，对未修正地震动水平分量和竖向分量进行了频谱窗等变换等分析，通过新的阈值处理函数提出了地震动摇摆分量的获取方法。通过振动台试验验证了获取方法的正确性和精度。采用该方法获取了1994年Northridge地震和台湾集集地震某一站点的地震动摇摆分量时程，为多维地震作用下结构动力响应研究打下了基础。. 3、建立了具有悬吊质量结构体系实用的抗震设计方法。对正在施工中的具有悬吊质量结构体系（某换流站阀厅结构）和振动台试验模型悬吊质量前后分别进行了动力测试，采集了控制点的加速度、位移时程，并对其进行了频谱等相关动力分析，全面地了解了实际具有悬吊质量结构体系悬吊质量前后结构自振频率和阻尼比等动力特性的变化规律。根据地震模拟震动台试验和理论分析结果，确定不同地震烈度悬吊质量索拉力的变化规律。根据理论和试验分析结果，合理考虑吊挂质量后对主体结构地震响应的影响，尽量简化计算过程，接近一般工业建筑的设计习惯，建立了具有悬吊质量结构体系实用的抗震设计方法。