【摘 要】
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建筑作为一种满足人们日常生活和生产的实用性场所,根据使用性质的不同其重要性也有所划分。为了保证建筑结构的适用性与耐久性,建筑结构的设计往往偏向于规则与安全,但随着建筑行业的发展,造型独特且不规则的结构逐渐成为一种潮流,因此建筑结构的设计要求也在逐渐提高。在不规则的高层建筑中,毗邻结构作为一种较新的建筑形式逐渐发展起来。将毗邻与不规则结合在一起的建筑结构,其设计难度会有所增加,不同种类的毗邻结构与不
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建筑作为一种满足人们日常生活和生产的实用性场所,根据使用性质的不同其重要性也有所划分。为了保证建筑结构的适用性与耐久性,建筑结构的设计往往偏向于规则与安全,但随着建筑行业的发展,造型独特且不规则的结构逐渐成为一种潮流,因此建筑结构的设计要求也在逐渐提高。在不规则的高层建筑中,毗邻结构作为一种较新的建筑形式逐渐发展起来。将毗邻与不规则结合在一起的建筑结构,其设计难度会有所增加,不同种类的毗邻结构与不同形式的不规则条件相结合,其结构的设计也具有较强的针对性,因此对于平面不规则毗邻结构来说扭转的不确定性会给结构设计带来很大困难。地震作为一种较为常见的自然灾害会对建筑结构的稳定性造成损伤,针对于不规则的毗邻结构,地震所造成的损害相较于规则结构更为严重。因此不规则毗邻建筑结构的设计往往很难满足建筑的抗震设计指标,但随着建筑抗震学的发展这种情况可以得出有效解的决方案。现今较为常见的结构振动控制方法是在结构内部添加阻尼器,通过阻尼器自身的耗能变形能力对结构振动进行有效控制。经过多年的实用性验证,这种手法成为一种普遍接受的结构振动控制策略。但对于不规则的毗邻结构来说,通过在结构内部添加阻尼器的方法很难对结构的耦合动力响应起到有效控制,同时传统的质量阻尼器也因其附加质量的限制很难在毗邻结构中得到运用。与传统质量阻尼器相比,新型电磁惯量阻尼器(Electromagnetic Inertial Mass Damper,EIMD)作为一种新型半主动控制装置,具有体积小、重量轻、出力大、安装方便等特点,越来越多地被运用在建筑结构的振动控制中。鉴于新型惯量阻尼器的诸多特点,研究其运用于平面不规则毗邻结构的振动控制策略是解决毗邻结构振动控制问题的一种有效途径。本文提出了一种基于新型惯量阻尼器的双系统控制策略,即通过在不规则的主体结构内部添加阻尼器与毗邻结构之间添加阻尼器的形式,在对平面不规则主体结构的扭转起到有效控制的同时,其毗邻结构的水平动力响应得到有效控制且扭转响应无放大趋势。本文结合现有工程实例研究了典型不规则毗邻结构基于新型电磁惯量阻尼器的最优控制策略,主要研究成果如下:(1)利用大型有限元软件建立了主体结构为十一层,裙房结构为四层的毗邻结构仿真模型,提取模型的结构质量、刚度数据,分析模型的各层偏心情况,对结构的不规则进行划分,结果显示主体结构为各层双向偏心有薄弱层的平面不规则结构,裙房结构为单向偏心的规则型结构。(2)基于结构动力学原理建立了毗邻结构的耦合动力学方程,考虑了两个方向的水平动力响应及其耦合的扭转动力响应,通过添加Taft地震波,以考虑平扭耦联为前提分析结构双向地震动作用下的动力响应,在MATLAB空间中利用Newmark-β积分迭代法对结构的动力响应进行仿真分析,结果表明平面不规则主体结构薄弱层以下部分的扭转响应较为突出,裙房结构的扭转响应相较于主体结构不突出。(3)根据EIMD阻尼器的出力特性以及力学模型,提出了基于EIMD阻尼器双系统控制策略,在以确定阻尼系数的前提条件下,研究EIMD附加惯性质量,即惯质比对结构动力响应的影响,利用遗传算法对不同惯质比下结构的动力响应进行优化计算,得出以控制扭转为前提的最优EIMD阻尼器惯质比。(4)针对被动控制不能调整EIMD阻尼器出力大小的缺点,利用LQR主动控制算法分析结构的最优主动控制力,根据不同型号EIMD阻尼器的最大滞回能力设计了EIMD参数上限值作为参考以保证阻尼器的正常运作,通过调节阻尼器的阻尼系数得出在不同型号EIMD阻尼器下的最优半主动控制力,提出基于LQR主动控制算法的EIMD-平面不规则毗邻结构最优半主动控制策略,通过对比被动控制的减震效果验证了最优半主动控制的有效性。(5)考虑到实际工程中安装传感器数量过多是不经济的,鉴于LQG主动控制算法将经济性与实用性相结合的优点,提出一种基于LQG算法的EIMD-平面不规则毗邻结构最优半主动控制策略。该策略优化了传感器的布置以及考虑到外界噪声对结构动力响应识别的影响,通过分析得出基于LQG算法的半主动控制效果与基于LQR算法的半主动控制效果接近。
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