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作为一种高层建筑结构体系,新型巨型框架悬挂减振结构体系将悬挂建筑结构、巨型框架结构、结构振动控制技术与高性能碳纤维增强聚合物CFRP(Carbon FiberReinforced Polymer)吊索有机结合,使这种结构不仅具有良好的减振耗能性能,还能够实现建筑、结构和艺术美的协调统一。该体系利用巨型框架作为主体结构,悬挂多层楼盖子结构,刚度巨大的巨型框架由双室空心截面梁和单室空心截面柱构成,它不仅能够满足结构受力要求而且还具有建筑功能布置与设计的灵活性;采用性能优异的CFRP吊索和在主、次结构之间设置阻尼器减振耗能装置使结构实现了有效减振。本文针对单段式和多段式的新型巨型框架悬挂减振结构体系进行了理论分析与试验研究,主要内容如下:
第一,阐述了悬挂建筑结构的定义、起源、特点、分类及其发展概况,探讨了悬挂减振结构体系的减振控制机理以及悬挂减振结构体系的传力路径;根据二自由度悬挂减振结构体系的运动方程,推导了地震作用下结构加速度及位移频率响应函数,分析了主次结构频率比、质量比、以及结构阻尼比对结构减振效果的影响,结果表明悬挂减振结构体系具有良好的减振耗能能力。
第二,根据主体结构与悬挂次结构的自身特征,提出新型巨型框架悬挂减振结构体系构建方法,阐述了该新型结构体系的基本特征、受力特点、变形特点、设计要点及振动控制原理,并以随机振动理论为基础,结合主体结构和悬挂次结构自身的动力特性,提出了多段式巨型框架悬挂减振结构体系的计算模型及相应的计算方法,推导了该结构体系的动力响应表达式。
第三,根据悬挂建筑结构的特点,设计并制作新型巨型框架悬挂减振结构体系的振动台试验模型。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。
第四,建立了单段及多段悬挂减振结构和普通悬挂结构的有限元分析模型,并进行了动力特性分析和地震响应时程分析。分析结果表明,悬挂减振结构中以悬挂楼盖振动为主的振型数目多于普通悬挂结构;悬挂减振结构体系加速度响应在高烈度地震作用下的减振效果比低烈度地震作用下更加明显;减振效果与地震动频谱特性有关,在近断层地震波作用下,悬挂减振结构和普通悬挂结构的动力响应均具有明显的脉冲效应,且峰值响应较其他地震波略大;悬挂楼盖的摆动在可控范围内会随着地震烈度的增大而不断变大从而更好地实现减振,表现出了良好的减振性能。
理论分析和试验研究表明,新型巨型框架悬挂减振结构体系具有良好的减振避震性能,是一种值得推广应用的高层建筑结构体系。