大跨空间结构采用粘滞阻尼器的减震分析和优化设计
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摘要
本文以双层柱面网壳为主要研究对象，围绕大跨空间结构采用粘滞阻尼器的减震分析和阻尼器位置优化设计进行了研究，并通过某火车站站房结构的减震设计，解决了粘滞阻尼器在大跨空间结构中的实用问题。主要研究成果如下：
1．首先以网壳结构为对象阐述了粘滞阻尼器的减震原理，然后论证了时程分析法和能量设计法能很好地用于大跨空间结构的减震分析；
2．考虑阻尼器不同的设置方式、设置位置和数量、阻尼系数，不同网壳矢跨比，线性阻尼器与非线性阻尼器的对比等，分别在单向地震波和三向地震波下进行了双层柱面网壳的减震分析，总结了影响减震效果的主要参数和影响规律。结果表明，采用粘滞阻尼器的减震方法可行，效果显著；
3．对大跨空间结构中粘滞阻尼器位置优化进行了研究，提出了将阻尼器位置优化的目标转化为最大化所有替换杆件的模态应变能百分比之和的思路，建立了简单实用的优化数学模型，采用遗传算法编制了相应的优化程序VDLO(Viscous Dampers’Location Optimization)；
4．应用编制的VDLO程序，计算了3个双层柱面网壳中阻尼器位置优化的算例，结果验证了程序的正确性。在此基础上，分析了网壳矢跨比对阻尼器最优位置的影响，总结出双层柱面网壳中阻尼器的优化布置规律，对实际工程具有重要的应用价值。规律表明，对于矢跨比1／4的网壳，阻尼器应选择替换1／4跨中的横向上弦杆；当矢跨比增大到1／3及以上时，阻尼器除横向弦杆外，应考虑替换一部分1／4跨中的腹杆；当矢跨比减小到1／5及以下时，阻尼器应选择替换1／4跨中的横向下弦杆；
5．采用粘滞阻尼器并应用上述优化布置规律，对某火车站站房结构进行了减震设计。结果表明优化布置后的阻尼器减震效果显著，与未采用阻尼器的方案相比，内力、位移明显减小，且使结构能满足“中震不坏，大震可修”的抗震设防目标。同时还验证了优化布置规律的正确性。
This thesis studies the seismic control on large-span space structures, primarily on double-layer cylindrical latticed shells with viscous dampers and their optimal locations, and solves the applied problem of viscous dampers in large-span space structures according to the seismic control design of a railway station hall. The main achievements of this thesis are shown as following.
1. The principle of seismic control of viscous dampers is illustrated for latticed shells, and it is demonstrated that the time-history analysis method and the energy method are applicable for the seismic control design of large-span space structures.
2. Considering different setting manners, locations, numbers, and damping coefficients of viscous dampers, and multiple rise-span ratios of latticed shells and the comparison between linear dampers and nonlinear ones, the parameter analysis of seismic control of double-layer cylindrical latticed shells is carried out by inputting earthquake waves along one direction and three directions respectively. Then the important parameters and the corresponding rules are concluded which influence the effect of seismic control of viscous dampers on latticed shells. The results indicate that this seismic control method using viscous dampers is feasible and the control effect is remarkable.
3. The optimal locations of viscous dampers are investigated in large-span space structures. Firstly a thread is put that the location optimization of dampers can be transformed into maximizing the sum of the percentage of modal strain energy of total replaced members, and then a simple and applicable mathematical model is built up, finally an optimization program named VDLO (Viscous Dampers' Location Optimization) is accomplished using Genetic Algorithm.
4. The VDLO program is applied to 3 examples of searching optimal locations of viscous dampers in double-layer cylindrical latticed shells, and the results confirm the validity of the program. On the basis of this, the effect of the rise-span ratio of latticed shells is studied on optimal locations of dampers, and the rules of optimal locations of dampers are summarized in double-layer cylindrical latticed shells, which are available for practical engineering. The rules show that in the latticed shells with rise-span ratio of 1/4 dampers should replace the transverse top-chord members located in 1/4 span, and when the rise-span ratio of latticed shell increases to 1/3 or more, dampers should be considered replacing a part of web members located in 1/4 span besides the transverse chord members, and when the rise-span ratio of latticed shell decreases to 1/5 or less, dampers should replace the transverse bottom-chord members located in 1/4 span.
5. The seismic control design of a railway station hall is finished by using viscous dampers and the above rules of location optimization. The results indicate that in comparison with the original structure without dampers, after the locations of dampers are optimized the effect of seismic control is obvious and the structural internal forces and displacements are reduced evidently so that the structure satisfies the seismic fortification criterion "no damage under moderate earthquake, repairable under rare earthquake". At the same time, it is proved that the rules of location optimization of dampers are correct.
1．首先以网壳结构为对象阐述了粘滞阻尼器的减震原理，然后论证了时程分析法和能量设计法能很好地用于大跨空间结构的减震分析；
2．考虑阻尼器不同的设置方式、设置位置和数量、阻尼系数，不同网壳矢跨比，线性阻尼器与非线性阻尼器的对比等，分别在单向地震波和三向地震波下进行了双层柱面网壳的减震分析，总结了影响减震效果的主要参数和影响规律。结果表明，采用粘滞阻尼器的减震方法可行，效果显著；
3．对大跨空间结构中粘滞阻尼器位置优化进行了研究，提出了将阻尼器位置优化的目标转化为最大化所有替换杆件的模态应变能百分比之和的思路，建立了简单实用的优化数学模型，采用遗传算法编制了相应的优化程序VDLO(Viscous Dampers’Location Optimization)；
4．应用编制的VDLO程序，计算了3个双层柱面网壳中阻尼器位置优化的算例，结果验证了程序的正确性。在此基础上，分析了网壳矢跨比对阻尼器最优位置的影响，总结出双层柱面网壳中阻尼器的优化布置规律，对实际工程具有重要的应用价值。规律表明，对于矢跨比1／4的网壳，阻尼器应选择替换1／4跨中的横向上弦杆；当矢跨比增大到1／3及以上时，阻尼器除横向弦杆外，应考虑替换一部分1／4跨中的腹杆；当矢跨比减小到1／5及以下时，阻尼器应选择替换1／4跨中的横向下弦杆；
5．采用粘滞阻尼器并应用上述优化布置规律，对某火车站站房结构进行了减震设计。结果表明优化布置后的阻尼器减震效果显著，与未采用阻尼器的方案相比，内力、位移明显减小，且使结构能满足“中震不坏，大震可修”的抗震设防目标。同时还验证了优化布置规律的正确性。
This thesis studies the seismic control on large-span space structures, primarily on double-layer cylindrical latticed shells with viscous dampers and their optimal locations, and solves the applied problem of viscous dampers in large-span space structures according to the seismic control design of a railway station hall. The main achievements of this thesis are shown as following.
1. The principle of seismic control of viscous dampers is illustrated for latticed shells, and it is demonstrated that the time-history analysis method and the energy method are applicable for the seismic control design of large-span space structures.
2. Considering different setting manners, locations, numbers, and damping coefficients of viscous dampers, and multiple rise-span ratios of latticed shells and the comparison between linear dampers and nonlinear ones, the parameter analysis of seismic control of double-layer cylindrical latticed shells is carried out by inputting earthquake waves along one direction and three directions respectively. Then the important parameters and the corresponding rules are concluded which influence the effect of seismic control of viscous dampers on latticed shells. The results indicate that this seismic control method using viscous dampers is feasible and the control effect is remarkable.
3. The optimal locations of viscous dampers are investigated in large-span space structures. Firstly a thread is put that the location optimization of dampers can be transformed into maximizing the sum of the percentage of modal strain energy of total replaced members, and then a simple and applicable mathematical model is built up, finally an optimization program named VDLO (Viscous Dampers' Location Optimization) is accomplished using Genetic Algorithm.
4. The VDLO program is applied to 3 examples of searching optimal locations of viscous dampers in double-layer cylindrical latticed shells, and the results confirm the validity of the program. On the basis of this, the effect of the rise-span ratio of latticed shells is studied on optimal locations of dampers, and the rules of optimal locations of dampers are summarized in double-layer cylindrical latticed shells, which are available for practical engineering. The rules show that in the latticed shells with rise-span ratio of 1/4 dampers should replace the transverse top-chord members located in 1/4 span, and when the rise-span ratio of latticed shell increases to 1/3 or more, dampers should be considered replacing a part of web members located in 1/4 span besides the transverse chord members, and when the rise-span ratio of latticed shell decreases to 1/5 or less, dampers should replace the transverse bottom-chord members located in 1/4 span.
5. The seismic control design of a railway station hall is finished by using viscous dampers and the above rules of location optimization. The results indicate that in comparison with the original structure without dampers, after the locations of dampers are optimized the effect of seismic control is obvious and the structural internal forces and displacements are reduced evidently so that the structure satisfies the seismic fortification criterion "no damage under moderate earthquake, repairable under rare earthquake". At the same time, it is proved that the rules of location optimization of dampers are correct.
引文
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