大跨空间网壳结构地震响应分析及振动控制研究

论文摘要

大跨空间网壳结构具有造型美观、自重轻、布置灵活等优点,从而在大型公共建筑中得到了越来越广泛的应用。然而,由于这类结构是振动周期大、阻尼小的柔性结构,对动力作用比较敏感,在地震时往往会发生较大的振动,产生较大的变形,并且随着网壳结构跨度的增大,地震动的行波效应会导致各支承点的地震激励出现较明显的差异。因此,研究大跨空间网壳结构考虑地震动多点输入下的地震响应和控制方法是十分必要的。本文分析了一大跨空间网壳结构在一致输入和多点输入下的地震响应,探讨了一致输入和多点输入下这类结构地震响应的变化规律,同时利用磁控形状记忆合金（Magnetic Shape Memory Alloy-MSMA）特殊的物理力学性能,自主研发了2种MSMA作动器以及相应的主动控制系统,设计制作了2个空间网壳模型结构并对其进行了模拟地震振动台试验,论文的主要研究工作如下:（1）以一平面直径为80m的单层球面网壳结构为算例,分析了单层球面网壳结构在一致输入下的水平、竖向运动方程及反应谱求解方法,采用ANSYS有限元软件,建立了该单层球面网壳结构的有限元分析模型,同时利用一致输入反应谱的二次组合法（CQC）,研究了该结构在水平和竖向地震作用下的杆件内力和节点位移,探讨了主要影响因素,总结了一致输入下网壳结构的地震响应规律。（2）在一致输入分析的基础上,研究了上述算例网壳结构考虑多点输入时的运动方程和多点输入反应谱分析方法,推导了基于虚拟激励原理的加速度反应谱计算公式,并对该网壳结构进行了水平和竖向多点输入下的地震响应分析,同时将一致输入和多点输入的分析结果进行比较,对比分析了水平、竖向多点输入下该网壳结构杆件内力响应和节点位移响应的变化规律,探讨了行波效应和视波速等对网壳结构地震响应的影响,为球面网壳结构考虑多点输入时的抗震设计提供了参考依据。（3）采用新型材料制备和实验力学方法,选用Ni-Mn-Ga为MSMA的主要材料成分,经过多次材料制备和材性试验,考虑磁场、温度、预加压力等多种因素的影响和相互耦合作用,分析了Ni-Mn-Ga合金不同化学成分含量对材料物理力学性能的影响,制备了物理力学性能较好的Ni53Mn25Ga22合金材料,并对其进行了相应的磁力学性能试验,建立了Ni53Mn25Ga22合金材料的预加压力-磁场-应变等磁力学本构模型。（4）以自主制备的Ni53Mn25Ga22合金材料为核心元件,从磁场、磁路、预压力装置、温控装置等方面系统地分析了MSMA作动器的工作原理和构造方法,重点进行了磁路的优化与分析,经过合理构造和优化设计,自主研发了2种新型MSMA作动器,并进行了相应的磁场-作动性能试验,分析了主要影响因素和一般规律,建立了MSMA作动器的静/动力本构模型。结果表明,文中研发的MSMA作动器的动力响应频率可达200Hz以上,出力较大,能够满足结构地震响应主动控制的需要。（5）在自主研发的2种MSMA作动器的基础上,研究了主动控制系统的组成、控制原理和实现方法,设计了合理的控制策略,确定和优化了控制算法,制作了相应的控制器,集成和开发了2种MSMA主动控制系统并进行了相应的控制性能试验。结果表明,文中研发的MSMA作动器及主动控制系统均具有较好的适应性,应用其可进行网壳结构地震响应的主动控制。（6）采用不同长细比的杆件,设计制作了1个凯威特型空间网壳结构的试验模型,并利用遗传算法优化了MSMA作动器的位置和数量,进行了未设置MSMA主动控制系统和设置MSMA主动控制系统模型结构的模拟地震振动台试验,试验时分别输入正弦波、EL-Centro地震波和Taft地震波等,试验工况共20余种。结果表明,文中研发的2种MSMA作动器及主动控制系统均能很好地控制模型结构的地震响应,一般情况下其控制效果可达30%左右,说明文中研发的MSMA主动控制系统是可行有效的,具有较好的研究和应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 大跨结构多点输入地震响应分析研究现状
• 1.2.2 大跨结构振动控制研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 参考文献
• 2 一致输入下大跨空间网壳结构地震响应分析
• 2.1 概述
• 2.2 一致输入反应谱分析
• 2.2.1 一致激励结构运动方程
• 2.2.2 一致激励反应谱组合
• 2.3 算例分析
• 2.3.1 计算模型
• 2.3.2 计算模型的模态分析
• 2.3.3 竖向一致输入下计算模型结构的地震响应分析
• 2.3.4 水平一致输入下计算模型结构的地震响应分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 3 多点输入下大跨网壳结构地震响应分析
• 3.1 概述
• 3.2 多点输入反应谱
• 3.2.1 多点输入运动方程
• 3.2.2 多点输入运动方程的求解
• 3.2.3 多点输入反应谱分析方法
• 3.3 虚拟激励的多点输入反应谱
• 3.3.1 虚拟激励法的基本原理
• 3.3.2 基于虚拟激励的加速度反应谱
• 3.3.3 多点输入在ANSYS 软件中的实现
• 3.4 算例分析
• 3.4.1 竖向多点输入下计算模型结构地震响应分析
• 3.4.2 水平多点输入下算例模型结构地震响应分析
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 4 MSMA 磁力特性及作动器试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 MSMA 的变形机理研究
• 4.2.1 马氏体相变
• 4.2.2 磁场诱发马氏体相变
• 4.2.3 预加压力对MSMA 变形的影响
• 4.2.4 温度对MSMA 变形的影响
• 4.2.5 在恒定磁场下应力和变形的关系
• 4.3 Ni-Mn-Ga 化学成分含量对合金性能的影响
• 4.3.1 化学成分对合金晶体结构的影响
• 4.3.2 合金成分含量对马氏体相变点温度的影响
• 4.3.3 磁特性变化
• 4.4 MSMA 材料的制备和磁力特性试验研究
• 4.4.1 预加压力和MSMA 变形的关系
• 4.4.2 磁感应强度和MSMA 变形之间的关系
• 4.4.3 磁场、预加压力和MSMA 变形率的耦合作用关系
• 4.5 MSMA 作动器设计
• 4.5.1 MSMA 作动器总体构造设计
• 4.5.2 MSMA 尺寸及弹簧压力的确定
• 4.5.3 磁路设计及励磁组确定
• 4.6 MSMA 作动器性能测试
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 5 基于MSMA 主动控制系统的空间结构地震响应控制研究
• 5.1 概述
• 5.2 设有MSMA 控制系统空间结构的振动控制方程
• 5.3 MSMA 主动控制系统
• 5.3.1 MSMA 主动控制系统的组成
• 5.3.2 控制原理
• 5.4 MSMA 主动控制系统设置位置和数量的优化
• 5.4.1 遗传算法的基本原理
• 5.4.2 基于遗传算法的MSMA 主动控制系统的位置和数量优化
• 5.5 基于MSMA 主动控制系统空间结构地震响应控制
• 5.5.1 试验模型及MSMA 主动控制系统优化设计
• 5.5.2 试验基本原理
• 5.5.3 试验结果分析
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 6 基于MSMA 主动控制系统网壳结构地震响应控制试验
• 6.1 空间网壳结构地震响应主动控制试验
• 6.1.1 试验模型结构设计与制作
• 6.1.2 试验流程
• 6.1.3 MSMA 主动杆件布置
• 6.1.4 控制策略
• 6.1.5 试验设备及测点布置
• 6.2 主要试验结果及分析
• 6.2.1 输入300gal 正弦波
• 6.2.2 输入500gal EL-Centro 波
• 6.2.3 输入400gal Taft 波
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 7 结论及展望
• 7.1 主要研究结论
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 附录1：博士在读期间发表论文情况
• 附录2：博士在读期间参加科研情况