摩擦消能支撑框架的减震分析与研究
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摘要
本文在广泛调查研究国内外对摩擦阻尼器的研究成果的基础上，设计了一
种综合利用转动摩擦和滑动摩擦耗散地震能量的Ⅱ_b型复合摩擦消能支撑，建立
了Ⅰ_o型和Ⅱ_b型两种摩擦消能支撑的弹塑性本构模型；对摩擦消能支撑框架结构的
弹塑性地震反应作了仿真分析，并编制了相应的计算程序；进行了摩擦消能支
撑的低周反复荷载试验和摩擦消能支撑框架的模拟地震振动台试验；在弹塑性
动力时程分析的基础上采用多层复形法按照预定目标优化了摩擦消能支撑参
数。摩擦消能支撑的静、动力试验与仿真分析的结果表明，Ⅱ_b型摩擦消能支撑
的耗能机理明确，耗能减震效果好。借助摩擦消能支撑参数的优化分析，可以
经济而有效地实现多高层建筑“大震不倒”或“大震不坏”的目标。
Mixed ffiction energy dissipMixed friction energy dissipation brace (MFEDB) named “b was devised to consume vibration energy by rotational and sliding friction based on the investigation into the achievements of friction dampers around the world. The main content of this paper includes: (a).deducing elastoplastic resilience models of two MFEDBs; (b). elastoplastic response simulating and programming of friction energy dissipation braced frame (FEDBF); (c). quasi-static cyclic tests to “b and vibration table tests to FEDBF; (d).multi-layer complex programming to optimize structures and (e).MFEDB parameters optimizing according to the destined purpose by virtue of elastoplastic dynamic time history analysis. It was verified that the energy dissipation mechanism of
“b is indisputable and the shock absorption ability of “b is excellent. The goal of “no collapse or no damage to tall buldings under severe earthquake” can be economically and effectively realized by MFEDB parameter optimization.
种综合利用转动摩擦和滑动摩擦耗散地震能量的Ⅱ_b型复合摩擦消能支撑，建立
了Ⅰ_o型和Ⅱ_b型两种摩擦消能支撑的弹塑性本构模型；对摩擦消能支撑框架结构的
弹塑性地震反应作了仿真分析，并编制了相应的计算程序；进行了摩擦消能支
撑的低周反复荷载试验和摩擦消能支撑框架的模拟地震振动台试验；在弹塑性
动力时程分析的基础上采用多层复形法按照预定目标优化了摩擦消能支撑参
数。摩擦消能支撑的静、动力试验与仿真分析的结果表明，Ⅱ_b型摩擦消能支撑
的耗能机理明确，耗能减震效果好。借助摩擦消能支撑参数的优化分析，可以
经济而有效地实现多高层建筑“大震不倒”或“大震不坏”的目标。
Mixed ffiction energy dissipMixed friction energy dissipation brace (MFEDB) named “b was devised to consume vibration energy by rotational and sliding friction based on the investigation into the achievements of friction dampers around the world. The main content of this paper includes: (a).deducing elastoplastic resilience models of two MFEDBs; (b). elastoplastic response simulating and programming of friction energy dissipation braced frame (FEDBF); (c). quasi-static cyclic tests to “b and vibration table tests to FEDBF; (d).multi-layer complex programming to optimize structures and (e).MFEDB parameters optimizing according to the destined purpose by virtue of elastoplastic dynamic time history analysis. It was verified that the energy dissipation mechanism of
“b is indisputable and the shock absorption ability of “b is excellent. The goal of “no collapse or no damage to tall buldings under severe earthquake” can be economically and effectively realized by MFEDB parameter optimization.
引文
[1] 周福霖，工程结构减震控制[M]．地震出版社．1997年
[2] Housner G.W., et al., Structural Control: Past,Present,and Future. ASCE.J. Engng. Mech.,Vol. 123,No.9,pp897-959,1997
[3] Kelly J.M.,Base Isolation:Origins and Development, News of Earthquake Engng. Research Center, Vol. 12,No. 1,1991
[4] Mahmoodi P.,Keel C.J.,Performance of Viscoelastic Structural Dampers for the Columbia Center Building. Building Motion in Wind.ASCE, 1986,83-106,
[5] Pall A.S. & Marsh C.Response of Friction Damped Braced Frames. ASCE, J. Struct. Div., Vol. 108,No.6,pp1313-1323,1982
[6] Filiatrault A.,Cherry S.,Seismic Design Spectra for Friction-damped Structures, J. Struct. Engng.,Vol.116,No.5,pp 1334-1355,1990
[7] Pall A.S. et al.Optimum Seismic Resistance of Large Panel Structures Using Limited Slip Bolted Joints, Proc. 7th World Conf. On Earthquake Engng.,Turkey, 1980
[8] Kelly J.M.,Skinner R.L. & Heine A.J.,Mechanism of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures,Bull.N.Z.Nat.Soc. for Earthquake Engng.,Vol.5,No.3,63-88
[9] Ou J．P，Wu B．& Soong T.T，Recent Advances in Research on and Application of Passive Energy Dissipation Systems,地震工程与工程振动，Vol．16，No．3，1996，72-96
10] Pall A.S.,PaII R.,Friction-Dampers Used for Seismic Control of New and Existing Building in Canada,Proc. of ATC-17-1 on Seismic Isolation,Passive Energy Dissipation and Active Control Vol.2,1993,675-686
[11] Soong T.T.,Lai M.L.,Correlation of Experimental Results and Predictions of Viscoelastic Damping of a Model Structure,Proc. of Damping'91,San Diego,CaIifonia,1991,1-9
[12] Constantinou M.C. and Symands M.D.,Experimental and Analytical Investigation of Seimic Response of Structures with Supplemental Fluid Viscous Dampers,NCEER Report-92-0032,State Univ. of New York at Buffalo,1992
[13] 欧进萍、吴波,摩擦型与软钢屈服型耗能器的性能与减振效果的试验比较.地震工程 与工程振动，Vol．15,No．3,1995,73-87
[14] 刘伟庆等．耗能支撑钢筋砼框架结构的工程应用。振动工程学报，vol．12,No．2,pp269-271，1999
[15] 张维(?)、杨蔚彪．低周反复荷载下二阶摩擦减振控制支撑框架的试验研究。建筑科学， No．4． pp3-10． 1997
[16] 吴波等．东北某政府大楼采用摩擦阻尼器进行抗震加固的研究．建筑结构学报， Vol-19,No．5，pp28-36，1998
[17] 陈宗明等,新型抗震耗能支撑的试验研究．工程抗震,N0． 3，pp13-16,1988
[18] 周福霖，隔震耗能减震和结构控制技术的发展和应用(上、下)。世界地震工程． No．4，1989；No．1． 1990
[19] 李宏男等，利用调液阻尼器减振的结构控制研究进展。地震工程与工程振动， Vol．15,No．3，1995
[20] 王肇民等,电视塔结构TMD风振控制研究与设计。建筑结构学报，Vol．15,No．5，1994
[21] 刘季、李惠．液压质量控制系统控制底层柔性结构地震反应的试验研究。地震工程与 工程振动，Vol．14,No．3，1994
[22] 周云、刘季．新型耗能(阻尼)减震器的开发与研究。地震工程与工程振动， Vol．18,No．1，pp71-79，1998
[23] K.Shimizu et al.,Study on Passive Structural Response Control Systems. The Fifth International Conference on Tall Buildings,Hong Kong, 1998
[24] R.D.Hanson,et al.,State-of-art and State-of-practice in Seismic Energy Dissipation. ATC-17-l,Proc. of Seminar on Seismic Isolation. Passive Energy Dissipation and Active Control, Vol.2,San Francisco,Californial,Mar. 11-12,1993
[25] 欧海龙、李向真．多层复形法在结构优化中的程序设计．世界地震工程，Vol．16,No．4，2000
[26] 冼巧玲、周福霖等，高层建筑用复合型摩擦消能支撑的设计试验和分析[J]。世界地震 工程，Vol．12，No．1,1996
[27] 冼巧玲、周福霖,复合型摩擦消能支撑的滞回模型[J]。华南建设学院西院学报， ． vol．8． No．1,pp5-10,2000
[28] 冼巧玲,消能支撑框架结构的试验-理论研究[D]．湖南大学博士学位论文，2000． 3
[29] Filiatraut A. and Cherry S. Seismic Design of Friction Damped Braced Steel Plane Frames by Energy Method. Univercity of British Columbia. Report No. UBS-EERL-88-01． Nov. 1988
[30] 李向真、欧海龙等，摩擦消能支撑非线性刚度分析．地震工程与工程振动， Vol．21，No．1，Mar．2001
[31] 宋雅桐、朱继澄,结构分析程序设计．东南大学出版社，1990年
[32] 汪梦甫、沈蒲生．钢筋混凝士高层结构非线性地震反应分析现状。世界地震工程. Vol．14，No．2,1998
[33] 王松涛、曹资．现代抗震设计方法。中国建筑工业出版社，1997年
[34] 《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89) 。中国建筑工业出版社．1989年
[35] 田千里、关国雄、张佑启．高层建筑结构之非线性地震响应分析。振动与冲击． Vol．15,No．4，1996
[36] 陈宗明等，新型抗震耗能支撑的试验研究。工程抗震，No．3，pp13-16，1988
[37] 冼巧玲、周福霖．复合型摩擦消能支撑减震体系的地震模拟振动台试验研究。世界地 震工程，Vol．12,No．3,pp43-51，1996
[38] 曹资、朱志达，建筑抗震理论与设计方法．北京工业大学出版社，1997年
[39] 江见鲸、贺小岗，工程结构计算机仿真分析．清华大学出版社，1996年
[40] 于勖成、邵敏．有限单元法基本原理和数值方法。清华大学出版社．1997年
[41] 梁启智，高层建筑结构分析与设计．华南理工大学出版社，1991年
[42] Gillies,A.G. & Shepherd,R.,Pridiction of Post-elastic Seismic Response of Structures by a Mode Superposition Technique,Bull. New Zealand Nat. Soc. Earthquake Engrg., 16(3) , 1983
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[44] 郭继武，建筑抗震设计。高等教育出版社，1990年
[45] 欧进萍等．耗能减振结构的抗震分析与设计方法。振动工程学报。Vol．12,No．2,pp202-209． 1999
[46] 欧进萍等．结构被动耗能减振效果的参数影响．地震工程与工程振动． Vol．18,No．1,pp60-70，1998
[47] 陈富生等,高层建筑钢结构设计．北京：中国建筑工业出版社，2000年
[48] 高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ99-98) ．北京：中国建筑工业出版社，1998年
[49] 建筑抗震设计规范(供试设计用稿)，1999． 12
[50] 赵熙元等，建筑钢结构设计手册．北京：冶金工业出版社．1995年
[51] 工业与民用建筑抗震设计规范(TJ11-78 )．
[52] 王光远、董明耀．结构优化设计。高等教育出版社．1987年
[53] 赵凤治、魏继英，约束最优化计算方法。科学出版社，1991年
[54] 谭浩强，C程序设计。清华大学出版社，1991年
[55] 薛嘉庆，最优化原理与方法。冶金工业出版社，1992年
[56] 建筑抗震设计规范(GB50011-**)征求意见稿
[57] 胡庆吕、周炳章(责任编辑)．高层建筑抗震设计方法讨论会--论文集．中国建筑学 会地震工程学术委员会高层建筑抗震学组，广州．1987． 1． 5-1． 11
[58] 刘伟庆等，耗能支撑钢筋砼框架结构的工程应用。振动工程学报，Vol．12,No．2,pp269-271． 1999
[59] Zhang R.H.,Soong T.T.,Seismic Design of Viscoelastic Dampers for Structural Applications.J.SE.1992,118(5)
[60] 周云等,耗能减震结构的抗震设计原则与设计方法。世界地震工程．Vol．14,No．4,pp49-56． 1998
[61] 刘家骏．摩擦减震支撑住结构抗震中的应用。工程抗震．No．1，pp39-42，1993
[62] 唐家祥，隔震与消能减震结构的设计规定--《建筑抗震设计规范》修订简介(七)。工程抗震，No．3，13-18，1999
[63] S.E. Ruiz, et al., Influence of Spatial Distribution of Energy-Dissipating Bracing Elements on the Seismic Response of Multistory Frames. Earthquake Engng. and Struct. Dyn., Vol.24,ppl511-1525,1995
[64] Bo Wu & Jin-Ping Ou, Optimal Placement of Energy Dissipation Devices for Three-dimensional Structures. Engng. Struct., Vol. 19,No.2,pp113-125,1997
[65] K.L. Shen, T.T. Soong, Design of Energy Dissipation Devices Based on Concept of Damage Control. ASCE, J. Struct. Engng., Vol.122, No.1,pp76-82,1996
[66] 沈祖炎、曹煜、李国强，高层摩擦阻尼支撑钢框架的优化设计。同济大学学报， Vol．20，No．4，pp379-386，1992
[67] 薛履中．工程最优化技术。天津大学出版社，1988年
[68] 郭子雄等，建筑结构抗震变形验算中层间弹性位移角限值的研讨。工程抗震，N0． 2，1998
[69] 郭子雄等，建筑结构在罕遇地震下弹塑性变形验算的讨论。工程抗震，No．1，1999
[2] Housner G.W., et al., Structural Control: Past,Present,and Future. ASCE.J. Engng. Mech.,Vol. 123,No.9,pp897-959,1997
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[22] 周云、刘季．新型耗能(阻尼)减震器的开发与研究。地震工程与工程振动， Vol．18,No．1，pp71-79，1998
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[61] 刘家骏．摩擦减震支撑住结构抗震中的应用。工程抗震．No．1，pp39-42，1993
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[66] 沈祖炎、曹煜、李国强，高层摩擦阻尼支撑钢框架的优化设计。同济大学学报， Vol．20，No．4，pp379-386，1992
[67] 薛履中．工程最优化技术。天津大学出版社，1988年
[68] 郭子雄等，建筑结构抗震变形验算中层间弹性位移角限值的研讨。工程抗震，N0． 2，1998
[69] 郭子雄等，建筑结构在罕遇地震下弹塑性变形验算的讨论。工程抗震，No．1，1999