基于能量平衡原理的结构风振控制研究

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随着建筑功能的多样化,以及新材料、新结构与新体系的迅猛发展与应用,高层建筑的楼层数逐渐增多,高度也逐渐增高,结构也变得越来越柔,这给我们的结构设计带来了新的要求和挑战,结构的抗风设计也因此变的更加重要。传统的抗风设计方法已不能很好的满足设计的要求,即使满足了要求,也是不经济的。有效、可靠、安全、经济的方法是采用结构的风振控制技术,即通过在结构中设置减震装置来减小结构的动力响应。本文在以往研究的基础上,基于能量的平衡原理,分别对一维和三维建筑结构进行风振控制研究,主要完成了以下工作:  1、建立76层Benchmark模型的阻尼器控制系统的动力学方程,基于能量的平衡原理,利用遗传算法对阻尼器的位置和参数进行了优化设计。  2、将TMD和阻尼器联合起来一起控制,基于能量的平衡原理,利用遗传算法对被动控制器的位置和参数进行优化设计。通过算例表明:当主结构阻尼耗散能的控制效果相近时,其所需TMD质量块的质量和阻尼控制器的阻尼值均比单一的TMD控制体系或者阻尼控制体系要小,方便了TMD和阻尼器的选择和安装,对于提高高层建筑的安全、舒适及经济性能具有重要的意义。  3、以20层钢结构为研究对象。在风激励作用下,通过设置不同的风向角,利用时程分析方法计算出结构在平扭耦合和非耦合状态下的风振响应,得到了一些有意义的结论。在时程分析的基础上,建立了双向TMD的结构动力学方程,从能量的平衡角度出发,通过优化对比证明了TMD系统对三维建筑结构在顺风向、横风向及扭转向的良好抗风效果。  4、以20层钢结构为研究对象。在结构顶层设置MTMD,并建立MTMD-扭转控制的结构动力学模型,基于能量的平衡原理,利用遗传算法对MTMD阻尼器的参数进行优化设计,通过算例表明:在具有同等质量的TMD质量块下,该控制系统总体上要优于单独设置TMD的控制体系和多楼层设置TMD的控制体系,这不仅增强了结构的抗扭性能,而且还能减少TMD的总阻尼值,具有一定的经济性和合理性。
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