结构风振与地震响应的TMD控制

论文摘要

自1972年美国学者Yao提出结构控制的概念以来,结构振动控制的研究得到了快速发展。调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)安装灵活方便,应用较为广泛。本文在广泛研究国内外研究成果的基础上,针对TMD风振地震控制作了下面几方面的研究:(1)TMD对简谐激励和风荷载所致振动的控制效果得到了一致的肯定。本文进行了河南艺术中心标志风振控制塔悬吊式TMD设计、试验性能测试、现场调试安装及其风振控制的线性、非线性分析。所设计的TMD利用十字形万向铰连接主体结构与刚性吊杆,使该质量阻尼器对各个方向的振动均能起到控制作用;而且避免了质量块的扭转和抖动;所设计TMD采用十字轴轴承部位安装摩擦阻尼片的方法提供阻尼力。新的阻尼方式价格低廉、安装和维护都很方便。SAP2000线性分析表明,设计的TMD减振控制系统合理设置参数的情况下塔顶最大水平位移减振率30%以上。实验室性能测试表明,TMD装置加工质量满足设计要求,动力参数和可调范围满足要求,测试合格。采用更为准确的TMD非线性模型进行的分析结果表明,在选定控制目标荷载的情况下,可以选出最优的摩擦力,而如此选出的摩擦力在较大范围的荷载作用下,所设计TMD的控制效果都很不错。(2)由于地震激励的复杂性,目前关于TMD地震控制的效果还没有一致的结论。另外,TMD参数优化的方法有很多,它们对TMD地震控制效果的影响还没有充分的研究。本文分析比较了现有TMD最优参数确定方法用于地震控制时的效果;从反应谱的概念出发,研究了单自由度结构的TMD地震控制效果;以河南艺术中心标志塔为原型,研究了TMD、MTMD用于多自由度结构地震控制的效果。(3)进行常摩擦TMD理论和实验研究,简谐激励的研究表明,常摩擦TMD增加摩擦力可以有效降低频响曲线峰值,但随着摩擦力增加,摩擦TMD不能完全启动的区域也在增加。风振地震控制分析表明,在同样的地震波幅值,同样的摩擦力下,不同结构的控制效果是不一样的。(4)为了提高摩擦TMD的控制效果,本文提出了两种被动变摩擦阻尼装置用于TMD,通过改变摩擦面的正压力和改变摩擦面的等效摩擦系数两种方法实现摩擦力随位移增大而增大。理论和试验研究结果都表明变摩擦TMD与经典TMD的类似,它的控制效果不会随着荷载大小的变化有明显的变化,原因在于变摩擦的摩擦力随位移增大是增大的。(5)地震是典型的冲击载荷,通常在很短的时间内达到峰值,而这么短的时间内TMD常常还没来得及达到需要的速度和位移,导致TMD的减震效果十分有限。本文提出了一种可以加速TMD启动和调整TMD和主结构运动相位关系的调速型TMD。针对提出的调速TMD原理,编制了相应程序,进行了控制效果分析,并和现有被动TMD、MTMD以及变阻尼半主动TMD控制效果进行了比较。结果显示了调速TMD的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 结构振动控制概念及发展
• 1.2 TMD 的研究概况
• 1.2.1 TMD 参数研究
• 1.2.2 被动 TMD 风振控制
• 1.2.3 被动 TMD 地震控制
• 1.2.4 TMD 的工程应用
• 1.2.5 被动 MTMD 的研究
• 1.3 主动 TMD 的研究
• 1.4 主动调谐/主被动调谐混合质量阻尼器（ATMD/APTMD/HMD）
• 1.5 半主动TMD 的研究
• 1.5.1 Ⅰ型SATMD-调整阻尼因子SATMD
• 1.5.2 Ⅱ型 SATMD-调整弹性常数SATMD
• 1.5.3 Ⅲ型 SATMD-调整质量块初始条件 SATMD
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 悬吊型TMD 在郑州标志塔风振控制中的应用
• 2.1 引言
• 2.2 TMD 结构形式的选取
• 2.3 TMD 质量、摆长和附加弹簧刚度的确定
• 2.3.1 有效摆长的确定
• 2.3.2 等效刚度的计算
• 2.4 TMD 的组件设计及其在标志塔的安装
• 2.5 TMD 的实验室性能测试
• 2.5.1 阻尼比调整和测试
• 2.5.2 自振频率调整和测试
• 2.6 TMD 的现场调试和安装
• 2.6.1 标志塔动力特性测试
• 2.6.1.1 TMD 与标志塔耦合频率特性
• 2.6.1.2 标志塔频率测定方案和测试结果
• 2.6.1.3 塔体实测频率振型阻尼比总结
• 2.6.2 TMD 的现场调试
• 2.6.2.1 TMD 优化参数计算
• 2.6.2.2 TMD 调整与测试
• 2.7 TMD 风振控制效果非线性分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 TMD 的地震控制分析
• 3.1 引言
• 3.2 TMD 的作用原理
• 3.3 TMD 参数优化分析
• 3.4 单自由度结构的TMD 地震控制效果研究
• 3.5 多自由度结构的TMD 地震控制效果研究
• 3.5.1 安装 TMD 前后各模态传递函数的推导
• 3.5.2 河南艺术中心标志塔 TMD 地震控制的研究
• 3.5.2.1 河南艺术中心标志塔分析模型
• 3.5.2.2 河南艺术中心标志塔动力特性
• 3.5.2.3 安装不同方案 TMD 前后塔体各阶传递函数的变化
• 3.5.2.4 不同 TMD 安装方案地震控制效果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 常摩擦TMD 理论和实验分析
• 4.1 引言
• 4.2 单自由度常摩擦系统的分析
• 4.2.1 单自由度常摩擦系统自由振动分析
• 4.2.2 单自由度常摩擦系统简谐激励强迫振动分析
• 4.2.2.1 频域分析
• 4.2.2.2 时域分析
• 4.3 单自由度主结构常摩擦TMD 系统简谐激励分析
• 4.4 单自由度主结构常摩擦TMD 风振地震响应理论分析
• 4.5 单自由度结构常摩擦TMD 风振地震响应试验研究
• 4.5.1 模型设计与传感器布置
• 4.5.1.1 模型设计
• 4.5.1.2 传感器布置
• 4.5.2 实验内容
• 4.5.2.1 主结构和TMD 自振特性实验
• 4.5.2.2 摩擦 TMD 简谐荷载控制性能试验研究
• 4.5.2.3 摩擦 TMD 的地震、风振控制效果试验研究
• 4.6 本章小节
• 第5章 变摩擦 TMD 理论和实验分析
• 5.1 引言
• 5.2 两种变摩擦 TMD 工作原理介绍
• 5.2.1 变正压力式变摩擦 TMD
• 5.2.2 变摩擦面等效摩擦系数式变摩擦 TMD
• 5.3 两种变摩擦阻尼单自由度系统动力分析
• 5.3.1 变正压力式变摩擦 TMD
• 5.3.2 变摩擦面等效摩擦系数式变摩擦 TMD
• 5.4 单自由度结构-变摩擦TMD 系统动力分析
• 5.4.1 变正压力式变摩擦 TMD
• 5.4.2 变摩擦面等效摩擦系数式变摩擦 TMD
• 5.5 单自由度结构-变摩擦TMD 风振地震响应理论分析
• 5.6 单自由度结构-变摩擦 TMD 风振地震响应分析
• 5.6.1 模型设计和传感器布置
• 5.6.2 实验内容
• 5.6.2.1 主结构和TMD 自振特性实验
• 5.6.2.2 摩擦 TMD 的地震风振控制效果
• 5.7 本章小节
• 第6章 调速型 TMD 及其地震控制效果的数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 调速型TMD 装置的作用原理
• 6.3 调速型 TMD 的优点
• 6.4 调速型TMD 的速度调整策略
• 6.5 调速型 TMD 速度调整算法说明
• 6.5.1 TMD 速度幅值的调整
• 6.5.2 TMD 相位的调整
• 6.6 调速TMD 控制效果数值模拟
• 6.7 调速TMD 控制效果与MTMD 控制效果的对比
• 6.8 调速TMD 控制效果与AMD 控制效果的对比
• 6.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢