一种新式SMA阻尼器在高层建筑风振控制中的应用研究

论文摘要

在一些低烈度地区,风荷载经常是高层、高耸结构设计的重要控制荷载;它不但会影响结构的舒适度要求,还可能造成严重的工程结构损伤和破坏,给人民的生命、财产带来重大的损失。这就必然要求采取一定的措施来满足结构抗风设计的要求。由于风荷载模拟的欠准确性,通过传统方法增强结构的自身刚度和抗侧力性能来抵抗风荷载作用会出现欠准确性或不经济性。采用结构振动控制是结构抗风的有效方法。本文以形状记忆合金丝材为主要研究对象,研制了一种新型的拉式SMA阻尼器;该阻尼器在承受拉、压以及扭转作用时,形状记忆合金丝始终处于拉压状态,从而利用形状记忆合金的超弹性性能实现结构抗风的耗能减振控制。本文完成的主要工作如下:（1）利用Davenport谱,采用谐波叠加法进行了脉动风荷载的模拟,并与Davenport谱进行了自相关谱和互相关谱的对比,同时采用数理统计相关原理验证模拟风荷载的有效性;最后进行了算例分析,并将结果作为后文时程分析的输入荷载;（2）利用ANSYS对所选用的形状记忆合金丝进行分析,分析过程考虑了工作环境温度、加载频率、应变幅值对形状记忆合金丝力学性能的影响;（3）在对形状记忆合金丝力学性能分析的基础上设计了一种新型的形状记忆合金阻尼器,并利用ANSYS分析了阻尼器不同工作环境温度、加载频率、位移幅值以及不同形状记忆合金丝工作长度影响下的工作性能;（4）根据介绍的阻尼器的最优控制算法,通过对方案一、二、三、四模拟风荷载作用下结构响应的ANSYS时程分析进行了阻尼器数量优化布置分析;通过方案三、五模拟风荷载作用下结构响应的ANSYS时程分析进行了阻尼器的位置优化布置分析;根据结构对空间的要求提出阻尼器第六种布置方案,并进行了模拟风荷载作用下的结构响应ANSYS时程分析;（5）对比《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002 J186-2002）验证了顺风向风荷载作用下的结构舒适度满足要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高层建筑结构的振动控制措施
• 1.2.1 主动控制措施
• 1.2.2 半主动控制措施
• 1.2.3 被动控制措施
• 1.2.4 混合控制措施
• 1.3 形状记忆合金材料
• 1.3.1 形状记忆合金的物理性能
• 1.3.2 形状记忆合金在国内外土木工程中的研究状况
• 1.4 风振控制需要解决的问题和发展前景
• 1.5 本文研究的主要内容及方法
• 第2章 高层建筑脉动风荷载模拟
• 2.1 引言
• 2.2 风荷载基本特征
• 2.2.1 平均风速
• 2.2.2 脉动风速功率谱
• 2.2.3 脉动风压功率谱
• 2.2.4 脉动风压规格化功率谱分解
• 2.3 脉动风荷载的主要模拟方法
• 2.3.1 线形滤波法模拟
• 2.3.2 谐波叠加法模拟
• 2.3.3 两种提高谐波叠加法计算效率的方法
• 2.4 脉动风荷载模拟算例
• 2.5 本章小结
• 第3章 形状记忆合金材料分析
• 3.1 引言
• 3.2 形状记忆合金材料的基本概念和主要特点
• 3.2.1 马氏体变体
• 3.2.2 应力诱发的马氏体相变
• 3.2.3 形状记忆效应
• 3.2.4 相变的超弹性
• 3.3 现有的几种本构模型
• 3.3.1 Tanaka模型
• 3.3.2 Liang and Rogers模型
• 3.3.3 Brinson模型
• 3.4 形状记忆合金超弹性本构模型的简化
• 3.4.1 基本假定
• 3.4.2 相变应力和相变临界应变的确定
• 3.4.3 相变方程的确定
• 3.4.4 本构关系的建立
• 3.5 形状记忆合金丝的有限元分析
• 3.5.1 形状记忆合金丝的选择和ANSYS分析单元的选择
• 3.5.2 分析方案的确定
• 3.5.3 加载环境温度对形状记忆合金丝应力—应变曲线的影响
• 3.5.4 加载频率对形状记忆合金丝应力—应变曲线的影响
• 3.5.5 加载应变幅值对形状记忆合金丝应力—应变曲线的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 拉式SMA阻尼器设计的研制
• 4.1 引言
• 4.2 拉式SMA阻尼器的结构构造及工作原理
• 4.2.1 结构构造
• 4.2.2 工作原理
• 4.3 拉式SMA阻尼器的工作性能分析
• 4.3.1 形状记忆合金丝材的选取
• 4.3.2 拉式SMA阻尼器的主要设计参数
• 4.3.3 ANSYS分析的目的
• 4.3.4 ANSYS分析的方法
• 4.3.5 结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 拉式SMA阻尼器布置方案的优化及受控结构舒适度验算
• 5.1 引言
• 5.2 结构风振控制的基本原理
• 5.3 被动控制的传递函数算法
• 5.3.1 受控结构风振反应传递函数算法
• 5.3.2 受控结构风振反应的减振系数
• 5.4 控制装置在受控结构中的优化布置
• 5.4.1 控制装置的优化布置原理
• 5.4.2 算例分析
• 5.4.3 计算结果分析
• 5.5 高层建筑结构人体舒适度验算
• 5.5.1 舒适度的判断标准
• 5.5.2 规范与仿真模拟下舒适度的对比分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢