主子耦合系统的互动减震研究

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1、西安建筑科技大学硕士学位论文1绪论1.1研究背景地震灾害是人类所遭受的最可怕的自然灾害之一，强震往往会在极短的时间[1]内释放出巨大能量，造成惨重的人员伤亡和经济损失。传统的观点认为，引起地震灾害及次生灾害的主要原因为建筑物的损伤和倒塌。因此，工程师进行建筑结构抗震设计时，主要目的是控制建筑物在地震作用下的动力响应，这样的思路对[2]于普通的民用建筑抗震设计是经济的、高效的。但是，对于大部分的工业建筑及生命线工程，它们具有区别于普通民用建筑的一个重要特点：配有大体积、大质量且价值昂贵的设备。工程师将以控制主体结构响应的抗震思路运用在工业建筑的抗震设计时，通常将

2、设备简化为堆积荷载，进而计算出主体结构的内力和变形。设备往往使用高强度的支撑、连接件将自身及配管牢牢固定在建筑物的主体上，[3]以保证设备在地震作用下的正常运作。最终的抗震效果在历次震害中也得到了检验：1995年，日本的阪神遭遇了7.2级地震，震区高新企业中的重要生产设备损[4]毁严重，造成了震后企业重建的代价极其沉重。1989年，美国加州的马普里埃塔遭遇了7.1级地震，该地区水电厂及医院的主结构完好，但内部的设备损害严重[4]。1999年，台湾的集集遭遇了7.2地震，震区变电站中的电力设备破坏严重，阻[2]碍了抗震救灾的进行和震后生产力的复苏，造成的经济损失

3、达60亿新台币。我国汶川8.0级地震作用下的东汽厂，日本9.0级地震作用下的福岛核电站，内部的设备损害极其严重，产生严重的社会影响，设备破坏后产生的次生灾害也严重威胁到人类的生命财产安全及抗震救灾工作，并且导致直接或间接的经济损失。据[2,5]统计，近代地震给人类造成的损失约有1/3和设备有直接关系。随着基于性能的抗震设计理论的快速发展，结构抗震性能的评估标准已从安[6]全性拓宽到可用性和完整性。另一方面，随着高智能化、多功能化结构的发展，越来越多的高精尖设备和重要附属构件出现在结构内部，其经济价值甚至超过结构本身，震后的修复难度和修复代价也比较大。为此，设计

4、方必须保证高精尖设备和重要附属构件在地震作用下的安全可靠。而业主方也愿意花更多投资去选择更高的结构抗震设防目标，即使震后的主体结构产生损伤，但高精尖设备却依然可以正常运作。但由于长期对设备影响的忽视，设计方并没有获得有效的设计方法或者思路，尽管在最新的建筑抗震设计规范中指出，当附属设备的自振周期大于0.1s且质量超过支承楼层的0.01，或者自身质量大于支承楼层的0.1时，设备宜1万方数据西安建筑科技大学硕士学位论文[7]纳入整体结构模型计算，或者选用楼面谱。但在实际设计时，设计方由于缺乏对此类系统的深刻认识，大多忽视了设备和主体结构间的内在联系，通常保守地增加

5、支承设备楼层的相关性能。上述系统在具体结构设计时，通常被称为结构-设备耦合体系；而在理论研究时，通常将建筑的主体结构称为主结构，而设备等非结构构件可以称为子结构，[8]两者组成的系统称为主子耦合系统。在外部激励作用下，主结构和子结构之间存在复杂的动力相互作用，子结构自身的惯性将改变原来主结构的动力特性；同时[9]主、子结构间存在着动态的能量变换。具体来讲，主结构除了受到地震作用外，还会受到子结构对它的作用力，作用力的大小会受到子结构特性和连接方式的影响，而且当子结构的质量较大时，此类作用力会表现得更加明显。由于子结构考虑了自身的特性（质量、刚度、阻尼和连接方式

6、），子结构的地震响应和所在楼层的响应并不一致。另一方面，楼层传递给子结构的地震作用是经过主结构过滤后[10]的地震作用，也就是子结构的地震响应也受到主结构特性的影响。而现有的抗震设计方法，对主子耦合系统的动力相互作用理解得不够且不全面，设计者们往往忽视问题的另一面，与其被动地避免主子耦合系统的震后灾难，不如了解主结构和子结构之间相互动力作用的特点和规律，通过合理选取设计参数，目标性地改变地震作用下主子耦合系统的能量吸收和分配，从而使主子耦合系统成为一种互动减震体系。若从减振方法上讲，主子耦合互动减振是辅助质量[11]减振法和结构相互减振法的某种结合，对于主结构

7、来讲，子结构可以作为质量调谐阻尼器，减小主结构在地震作用下的响应；对于子结构来讲，主结构可以对地震作用进行过滤，使过滤后的地震波显著频率远离子结构的自振频率。当然，这些减震效果只有在选取了适合的设计参数后才能获得。无论是历次地震带来的惨痛教训，还是基于性能的抗震设计理论的发展要求，亦或是主子耦合体系内部存在的可研究性，都使主子耦合互动减震体系的研究存在必然性。本文研究的目的就是寻找出主子耦合系统实现互动减震的潜在途径，并对相应的效果进行分析，总结出主子耦合互动减震体系方面的有益规律，对今后主子耦合系统的抗震设计或是结构控制提供一定的理论基础。1.2主子耦合系统

8、研究现状1.2.1理论研究若将主子耦合