偏心结构利用调液阻尼器减震控制的研究

论文摘要

无论从理论分析还是从震害现象看,结构在地震作用下的反应,除了发生平移振动外,还可能会发生扭转振动。引起扭转振动的原因,一是地面运动存在转动分量,或地震时地面各点的运动存在着相位差;二是结构本身存在偏心,即结构的质量中心与刚度中心不相重合。震害表明,扭转作用会加重结构的破坏,尤其是对于偏心结构,在某些情况下将成为导致结构破坏的主要因素。因此,偏心结构在地震作用下的扭转耦联振动的控制问题有很重要的实际应用意义。本论文以此为背景,利用调液阻尼器来控制偏心结构在地震作用下的扭转耦联振动,主要进行了以下几方面的研究工作: （1） 环形调液阻尼器对结构平移—扭转耦联振动控制的参数研究。首先建立起环形调液阻尼器（CTLCD）的运动方程,基于等价线性化的原则,将环形调液阻尼器的非线性阻尼线性化。对纯扭转振动情况下,对环形调液阻尼器的最优参数问题进行研究,得到了解析表达式。分别针对结构的纯扭转振动和扭转耦联振动,推导出等效阻尼比的表达式,分析了控制系统的参数对控制效果的影响。结果表明,环形调液阻尼器是一种有效的扭转振动控制装置。 （2） 提出了利用调液柱型阻尼器（TLCD）和环形调液阻尼器（CTLCD）来控制偏心结构在双向地震动作用下扭转耦联振动的方法。利用随机振动理论,推导出调液阻尼器—结构体系在地震作用下随机响应的表达式。基于遗传算法,给出了控制系统的相关参数的优化设计方法。计算结果表明,当优化的目标函数考虑到结构每个自由度的反应时,结构的平移反应和扭转反应都能得到有效控制。 （3） 以一个8层偏心钢结构为算例,在结构顶层沿两个主轴方向正交放置两个TLCD,并在结构质心处安放一个CTLCD。基于本文给出的优化目标函数和遗传优化算法,对调液阻尼器的参数进行优化设计。最后,在时域内分析调液阻尼器对结构扭转耦联振动的减振作用。分析结果表明,合理设计调液阻尼器的有关参数,能使其有效控制结构的平-扭耦联振动。 （4） 进行了振动台试验,以验证调液阻尼器的减振控制作用。设计了一个二层的单向偏心钢结构模型,在结构的顶层放置一个TLCD和一个CLTCD,在振动台上,分别对结构无控时的反应和设置调液阻尼器后的反应进行试验研究,结果表明,调液阻尼器能有效抑制结构的在地震作用下的扭转耦联振动。 （5） 对环形调液阻尼器减振控制中的拍现象进行研究。分析了环形调液阻尼器对结构纯扭转振动控制中的拍现象,分别考虑无阻尼结构体系、主体结构有阻尼而

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 结构振动控制的重要意义
• 1.2 结构振动控制研究概况
• 1.2.1 结构控制的定义及其分类
• 1.2.2 被动控制系统
• 1.2.3 主动控制系统
• 1.2.4 半主动控制系统
• 1.2.5 混合控制系统
• 1.2.6 控制算法
• 1.2.7 影响控制效果的因素
• 1.3 调液柱型阻尼器研究进展
• 1.3.1 被动TLCD
• 1.3.2 半主动TLCD
• 1.3.3 TLCD在工程中的应用
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 环形调液阻尼器对结构扭转耦联振动控制的参数研究
• 2.1 引言
• 2.2 环形调液阻尼器-结构减振系统的运动方程
• 2.2.1 环形调液阻尼器的运动方程
• 2.2.2 环形调液阻尼器中阻尼的等价线性化
• 2.2.3 环形调液阻尼器-结构体系的运动方程
• 2.2.4 环形调液阻尼器等效阻尼的精确性分析
• 2.3 控制器的最优参数
• 2.4 环形调液阻尼器对结构扭转振动控制的参数分析
• 2.5 环形调液阻尼器对结构平移—扭转耦联振动控制的参数分析
• 2.6 本章小结
• 3 调液阻尼器对结构扭转耦联振动控制的优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 控制体系的运动方程
• 3.2.1 调液阻尼器运动方程
• 3.2.2 被控结构的力学模型
• 3.2.3 结构阻尼矩阵的确定
• 3.2.4 控制体系的运动方程
• 3.3 控制体系的随机反应分析
• 3.4 目标函数
• 3.5 遗传优化算法简介
• 3.5.1 遗传算法的基本实现技术
• 3.5.2 遗传算法的主要运行参数
• 3.5.3 遗传算法求解的基本步骤
• 3.6 目标函数评估
• 3.6.1 结构模型
• 3.6.2 地面运动模型
• 3.6.3 调液阻尼器的参数范围
• 3.6.4 结果分析
• 3.7 本章小结
• 4 调液阻尼器对多层偏心结构扭转耦联振动控制的分析
• 4.1 引言
• 4.2 控制体系的力学模型及其求解
• 4.3 结构模型及其动力特性分析
• 4.4 阻尼器参数的优化
• 4.4.1 目标函数
• 4.4.2 地面运动模型
• 4.4.3 调液阻尼器的参数范围
• 4.4.4 遗传算法优化结果
• 4.5 时域内的结构反应分析
• 4.6 本章小结
• 5 环形调液阻尼器振动控制中拍的研究
• 5.1 引言
• 5.2 纯扭转振动控制中的拍现象
• 5.2.1 无阻尼自由振动
• 5.2.2 主结构线性阻尼自由振动
• 5.2.3 主体结构和CTLCD中均有阻尼
• 5.3 拍对结构受迫振动的影响
• 5.4 结构扭转耦联振动控制中拍的研究
• 5.4.1 偏心结构的动力特性
• 5.4.2 环形调液阻尼器—偏心结构耦联振动中的拍现象
• 5.5 本章小结
• 6 基于市场机制的TLCD半主动控制方案
• 6.1 引言
• 6.2 控制系统的运动方程
• 6.3 MBC半主动TLCD控制策略
• 6.4 控制系统分析
• 6.4.1 半主动控制系统参数的确定
• 6.4.2 最大水头损失系数对半主动控制系统的影响
• 6.4.3 控制系统稳定性分析
• 6.4.4 控制效果分析
• 6.5 多自由度数值算例
• 6.6 本章小结
• 7 半主动变刚度TLCD减振控制的研究
• 7.1 引言
• 7.2 半主动变刚度TLCD的减振性能
• 7.2.1 变刚度TLCD运动方程
• 7.2.2 半主动控制策略
• 7.2.3 单自由度数值算例
• 7.3 多自由度算例分析
• 7.3.1 谐波激励下减振效果分析
• 7.3.2 地震激励下减振效果分析
• 7.4 偏心结构利用半主动变刚度TLCD的减振控制
• 7.5 本章小结
• 8 调液阻尼器对结构扭转耦联振动控制的试验研究
• 8.1 引言
• 8.2 试验概况
• 8.2.1 试验模型
• 8.2.2 试验参数
• 8.3 试验结果分析
• 8.3.1 调液阻尼器对加速度的减振作用
• 8.3.2 调液阻尼器对位移的减振作用
• 8.4 理论值与实验值的比较
• 8.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文及科研成果情况
• 创新点摘要
• 致谢
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