调谐惯质阻尼联肢墙减震控制研究

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本文提出了一种新型的调谐惯质阻尼联肢墙(TVMD联肢墙)高层建筑结构体系,可以有效控制强震下高层建筑的层间位移和楼面加速度响应,提高结构的震后功能可恢复能力。本文提出了两种针对TVMD联肢墙体系的调谐减振设计方法,通过数值模型分析和实时混合模拟试验,研究了体系的减震原理和抗震性能。TVMD联肢墙体系中采用了调谐惯质阻尼器(Tuned viscous mass damper,TVMD),这种新型的阻尼器可以实现“小变形、大惯质力、大阻尼力”,并可针对结构主要模态进行调谐设计。将TVMD创新性地在相邻两侧墙肢中间呈之字形布置,可有效利用相邻墙肢的竖向位移差增大TVMD行程,进一步提高TVMD的出力和效率。TVMD联肢墙体系可实现小层间位移角下的大阻尼力,并可通过调谐设计综合控制多阶模态的地震响应。基于Matlab建立了TVMD联肢墙的数值模型。提出了基于不动点法的单模态调谐设计方法,通过模态分析和弹性时程分析表明,TVMD可增加其调谐模态及更低阶模态的阻尼比,从而同时控制多阶模态的响应,且原结构的振型不被改变。当对结构第三阶模态调谐时,中震下最大层间位移和楼面加速度可分别减小60%和65%。提出了采用数值优化的多模态调谐设计方法,分析表明该方法也可同时控制多阶模态的地震响应,减震效果与对第三阶模态调谐的单模态调谐设计方法相当。通过TVMD联肢墙体系的实时混合模拟试验,验证了体系的抗震性能。试验中仅顶层TVMD进行实际加载,其余部分保留在数值模型中进行计算。混合试验得到的地震反应与纯数值模型计算结果差异不大。试验结果表明,TVMD联肢墙在近场地震和远场长周期地震等不同类型地震作用下均能发挥良好的减震性能,中震下最大层间位移和楼面加速度可分别减小约64%和76%,且在大震中结构受损后刚度改变导致的离频效应不显著,最大楼面加速度没有增加,最大层间位移响应仅增加9%。通过与普通钢筋混凝土联肢剪力墙和粘滞阻尼联肢墙进行对比,验证了TVMD联肢墙体系更加优异的抗震性能。
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