多维隔减震装置力学性能及受控结构优化分析

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结构振动控制是一种新型的抗震技术,其中以基础隔震技术的理论最为成熟,因而得到了广泛的应用。但是,目前所提出的一些控制装置或系统只是最大限度地减少或隔离水平地震作用,而对竖向地震作用几乎没有影响。地震作用是一种多维激励,结构在单维与多维地震作用下的响应是不同的,特别是对一些大型的复杂的或重要的结构,仅仅考虑水平向隔减震显然是不全面的。因此,多维隔减震问题是一个非常重要的研究课题,但是国内外对多维隔减震的研究尚处于初期阶段。本文所研究的多维隔减震装置(专利号.ZL200610097219.3)能够有效减少水平向和竖向的动力反应。此外,多维隔减震装置的性能受其参数的影响很大,参数选取不合理就达不到控制要求,因此,很有必要对其进行参数优化分析。   本文对多维隔减震装置进行了研究分析,所展开的主要工作和结论如下:   1,对多维隔减震装置水平向与竖向性能试验数据进行分析。试验分析表明:加载频率、位移幅值均对多维隔减震装置的等效受拉刚度和等效受拉阻尼有着显著影响;多维隔减震装置的动态性能参数剪切储能模量G1、剪切损耗模量G2和损耗因子η均随着频率的增大而增大,随着位移幅值的增大而减小:每圈耗能Ed随着频率与位移幅值的增大而增大;多维隔减震装置的力学模型中应当考虑到频率和位移幅值对粘弹性阻尼器力学性能的影响。   2,对目前常用的粘弹性材料的力学模型进行了阐述和评价,为了更好的确定粘弹性材料的力学性能,提出了一种同时考虑温度、频率和位移幅值影响的粘弹性材料力学模型。从温度因素与损伤指标两个方面考虑了位移幅值对粘弹性材料力学性能的影响,通过修正Doolittle方程和损伤变量方程分别推导了位移移位因子与损伤指标,结合等效标准固体模型,提出了修正等效标准固体模型。数值分析结果表明:储能模量G1和损耗因子η的试验值与计算值拟合的较好,满足应用要求。该模型能够较好的计算粘弹性材料的储能模量G1和损耗因子η在不同温度、频率和位移幅值下的值,以便实际应用。   3,基于能量方程研究了多维隔减震装置的参数优化问题,从能量角度提出了基于遗传算法的目标优化函数,建立了多维隔减震装置参数优化模型。以柱面网壳隔减震为例,基于遗传算法和能量方程,采用ANSYS和MATLAB并行对其进行参数优化分析,并分析了该方法对地震波的敏感性。结果表明:基于能量方程的优化目标函数,通过遗传算法优化分析得到的多维隔减震装置参数能够使得结构的位移和应力得到有效的控制,并且是最优控制;同时也表明该优化方法受不同地震波的影响较小。   4,将多维隔减震装置加入到-凯威特网壳中,对其进行了全过程分析,对比了未控与有控下凯威特网壳的破坏特性。分析结果表明:有控结构的最大节点位移小于无控结构:加设多维隔减震装置后,结构较晚进入塑性,多维隔减震装置能够延缓结构进入塑性,同时能够延缓结构的塑性发展和倒塌。
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