当地震来临时,一个结构的薄弱层位置将会最先发生破坏,这一破坏将会导致相邻一层产生破坏,严重将会导致其他楼层破坏,成为导致整个结构倒塌的主要因素。在各式各样的建筑功能要求下,出现了较多存在薄弱层的竖向不规则结构体系,采用传统“硬抗”的抗震设计方法,难以保证含有薄弱层的竖向不规则体系在不同水准地震动作用下的性能需求。结构振动控制技术通过采用控制装置来减小地震动对结构的损害,提高了工程结构抵御灾害性地震动作用的能力,使工程结构在灾害作用下少损失或不损坏并完全满足性能设计要求有了可能,越来越多的研究者将研究的重点转向结构振动控制。随着结构振动控制技术的不断完善,形成了被动控制、主动控制、半主动控制和智能控制的结构振动控制体系。阻尼器是一种常用的被动、半主动控震装置,考虑在含有薄弱层的竖向不规则结构体系中加入阻尼器来减少地震作用对结构本身的影响是实现该类结构体系性能需求的一种有效途径。新型惯性质量阻尼器(Tuned inertial mass damper,TIMD)中具有较大惯性质量的IMD(inertial mass damper)可以利用其惯性质量效应来有效的减小结构地震的动力响应,主要是通过其内部的滚轴丝杠将轴向位移转化为飞轮的旋转运动,从而放大其附加质量,使其能够到提供更大的阻尼力和惯性力来抵御地震响应。由于TIMD相比于传统的阻尼器具有低能耗高效率,后期维护方便,使用时间较长,对坏境的污染相对较小等优点,所以本文将TIMD应用于含有薄弱层的竖向不规则结构体系中进行控震性能研究。主要研究工作如下:(1)介绍了两种新型惯性质量阻尼器,分别为调谐黏性质量阻尼器和电磁惯性质量阻尼器。基于两种阻尼器的被动、半主动控制原理、设计参数及力学性能试验指标,分别建立其通用力学模型。(2)根据现行抗震设计规范并结合含有薄弱层的竖向不规则结构的破坏特点,建立三种典型存在薄弱层的竖向不规则结构模型,并根据新型惯性质量阻尼器的通用力学模型,建立惯性质量阻尼器-竖向不规则结构体系动力学模型,然后运用状态空间相关理论将结构运动方程化为标准形式的状态方程。(3)通过动力时程分析法对结构进行仿真分析,在结构的每层均放置一个阻尼器,得出两种阻尼器被动控制下结构的峰值响应,对比分析三种模型下结构薄弱层的控震效果。其中,模型一薄弱层的层间位移减震率达到66.4%,模型二薄弱层的层间位移减震率达到29.4%,转角减震率达到33.1%,模型三薄弱层的层间位移减震率达到26.5%,转角减震率达到30.5%。分析结果表明惯性质量阻尼器能很好的控制薄弱层及整体结构的振动响应,而偏心结构会因为其扭转耦联效应而导致其薄弱层的被动控制效果不如规则结构。进而在结构的薄弱层及相邻一层放置两个阻尼器,对比薄弱层放置一个阻尼器和两个阻尼器的控制效果。结果显示模型一薄弱层的层间位移减震率达到67.3%,模型二薄弱层的层间位移减震率达到51.9%,转角减震率达到43.1%,模型三薄弱层的层间位移减震率达到49.3%,转角减震率达到38.5%。分析结果说明阻尼器数量和位置优化会提高存在薄弱层的竖向不规则结构的控震性能。(4)通过采用振型分解法对结构进行模态分析,得出每第一阶模态下结构的绝对位移,分析各个模态占比,并得出结构的自振频率和阻尼比。分析结果显示,模型一的第一阶模态占比为91.0%,模型二的第一阶模态占比为84.1%,而前三阶模态占比达到94.6%,模型三的第一阶模态占比为81.1%,前三阶模态占比达到92.4%。分析结果表明偏心结构会由于其扭转效应使得结构的第一阶模态占比减少,其模态空间控制方法设计中应注意模态数量的选取。(5)通过滑模控制算法对结构进行半主动控制分析,结果显示采用滑模控制算法对结构进行半主动控制后,模型一薄弱层层间位移的减震率达到70.4%;模型二薄弱层的层间位移减震率达到58.2%,转角减震率达到61.5%,模型三薄弱层的层间位移减震率达到57.3%,转角减震率达到53.3%,表明该类阻尼器基于滑模算法的半主动控震策略的可行性和有效性。
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