建筑结构振动控制及控制器优化设计

论文摘要

随着社会的发展和技术的进步,土木工程结构的防灾减震已愈来愈受到人们的重视,土木工程结构的振动控制技术也随之进入蓬勃发展的阶段,许多新型控制体系和控制装置相继出现。振动控制技术在土木工程中的运用也产生了许多新的研究领域,控制器的优化设计问题便是其中之一。控制器的优化设计一般包括两个方面:一是被动控制器相关参数的优化或主动控制器最优控制律的选取;二是控制器的数目和安装位置优化。本文在以往研究的基础上,基于能量的观点,结合两结构互连控制体系和三维结构控制体系对控制器的优化设计问题进行了研究。主要完成的工作如下:(1)建立了两结构互连控制体系的动力学模型,在此基础上,提出了被动控制器(包括弹性及阻尼元件)的优化设计方法。这一优化设计方法主要包括两个方面:①运用等效最优控制方法对被动控制器的参数进行优化;②基于结构在频域内的响应,从能量的角度出发,提出与时域相对应的控制器性能指标J 0或ΔJ,根据这一指标对被动控制器的数目和安装位置进行优化。算例表明,这两种性能指标都反映了控制器对结构振动控制贡献的大小,根据这两种性能指标可以得到经济合理的控制器数目和安装位置的优化结果,同时对结构的位移响应也有良好的控制效果。(2)考虑到实际工程中阻尼器的应用非常广泛和弹性元件的实现有困难等因素,研究了在两结构互连控制体系中仅安装阻尼器时阻尼器的优化设计问题。当参数无限制时,阻尼器的优化设计方法主要包括两个方面:①运用单形调优法以体系的能量指标J为目标函数对阻尼器的参数进行优化;②以控制器的性能指标ΔJ为依据,对阻尼器的数目和安装位置进行优化。算例表明,根据上述方法对阻尼器进行优化设计,可以取得良好的控制效果,并降低工程造价。(3)考虑到现代建筑中日益突出的非结构构件和设备抗震设计的重要性,进一步讨论了不考虑次结构影响且阻尼器参数无限制时两结构互连控制体系阻尼器的优化设计问题,并在此基础上,研究了阻尼器优化设计结果对次结构楼层反应谱的影响,得出一些有意义的结论。(4)考虑到平面框架模型过于粗糙,无法反映实际结构的许多动力特性,建立了三维实体结构的动力学模型,对阻尼器的优化设计问题进行了研究,包括阻尼器参数无限制和参数受限制两种情况。参数无限制时,三维实体结构的阻尼器优化设计方法与两结构互连控制体系中阻尼器的优化设计方法是类似的,即运用单形调优法以体系的能量指标J为目标函数对阻尼器的参数进行优化,同时根据控制器的性能指标ΔJ对阻尼器的数目和安装位置进行优化。参数受限制时,可以通过采用复形调优法以体系的能量指标J为目标函数对阻尼器的参数进行优化,阻尼器的数目和安装位置优化则仍可以控制器的性能指标ΔJ为依据进行。算例表明,应用上述方法进行阻尼器的优化设计,可以取得良好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 土木工程结构振动控制技术简介
• 1.1.1 土木工程结构振动控制技术发展现状
• 1.1.2 土木工程结构振动控制基本原理
• 1.1.3 土木工程结构振动控制尚待研究的问题
• 1.2 本文研究背景
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 线性多自由度体系的地震响应分析
• 2.1 时域分析方法
• 2.1.1 Wilson-θ法
• 2.1.2 Newmark-β法
• 2.2 频域分析方法
• 2.2.1 频率传递函数
• 2.2.2 功率谱密度函数
• 2.3 复模态解耦分析方法
• 第三章 两结构互连控制体系振动控制与优化
• 3.1 两结构互连控制体系被动控制器优化设计
• 3.1.1 两结构互连控制体系的动力学模型
• 3.1.2 两结构互连控制体系被动控制器的参数优化
• 3.1.3 两结构互连控制体系被动控制器的数目和安装位置优化
• 3.1.4 算例1
• 3.1.5 算例2
• 3.1.6 结论
• 3.2 两结构互连控制体系阻尼器优化设计
• 3.2.1 仅安装阻尼器时两结构互连控制体系的动力学模型
• 3.2.2 两结构互连控制体系阻尼器的参数优化
• 3.2.3 两结构互连控制体系阻尼器的数目和安装位置优化
• 3.2.4 算例1
• 3.2.5 算例2
• 3.2.6 结论
• 3.3 两结构互连控制体系的楼层反应谱分析
• 3.3.1 安装有次结构的两结构互连控制体系动力学模型
• 3.3.2 安装有次结构的两结构互连控制体系阻尼器优化设计
• 3.3.3 算例
• 3.3.4 结论
• 第四章 三维实体结构振动控制与优化
• 4.1 参数无限制时三维结构控制体系阻尼器优化设计
• 4.1.1 三维结构控制体系的动力学模型
• 4.1.2 三维结构控制体系阻尼器的优化设计
• 4.1.3 算例1
• 4.1.4 算例2
• 4.1.5 结论
• 4.2 参数受限制时三维结构控制体系阻尼器优化设计
• 4.2.1 约束极值问题的求解
• 4.2.2 三维结构控制体系阻尼器的优化设计
• 4.2.3 算例1
• 4.2.4 算例2
• 4.2.5 结论
• 第五章 论文总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 进一步工作展望
• [参考文献]
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文目录