建筑結(jié)構(gòu)負(fù)剛度減振控制研究

1）結(jié)合被動負(fù)剛度裝置的非線性力學(xué)模型，針對這種帶有被動負(fù)剛度裝置的結(jié)構(gòu)非線性動力模型，提出雙線性模型的簡化計算方法；將負(fù)剛度應(yīng)用于上部結(jié)構(gòu)中，提出同倫方法優(yōu)化計算上部結(jié)構(gòu)各層所需的負(fù)剛度值，解決了該雙線性非凸優(yōu)化問題；提出了多自由度雙線性結(jié)構(gòu)等效單自由度體現(xiàn)方法，創(chuàng)新給出了雙線性結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜，實(shí)現(xiàn)了在結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮負(fù)剛度因素的方法。2）提出了一種新型軌道式負(fù)剛度裝置，并通過振動臺試驗(yàn)對其力學(xué)性能進(jìn)行了研究。通過循環(huán)加載得到不同彈簧預(yù)壓縮量下負(fù)剛度裝置的滯回曲線；通過掃頻試驗(yàn)測試了負(fù)剛度裝置的頻響性能。提出了負(fù)剛度裝置的設(shè)計方法，建立了軌道式負(fù)剛度裝置的理論模型，并對其滯回性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好。3）提出了一種新型多維SMA阻尼器，并在萬能試驗(yàn)機(jī)上對其力學(xué)性能進(jìn)行了測試。20℃室溫環(huán)境中，在不同加載頻率和不同幅值的正弦激勵下，分別測試了SMA絲不同初始應(yīng)變時阻尼器的滯回性能。對阻尼器扭轉(zhuǎn)性能也進(jìn)行了測試。建立了多維SMA阻尼器的理論模型，并對其在周期荷載下的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，不同幅值下的模擬結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了理論模型的有效性。將軌道式負(fù)剛度裝置和多維SMA阻尼器配合使用，構(gòu)成負(fù)剛度減震系統(tǒng)，提出了負(fù)剛度減震系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法。 2100433B

結(jié)構(gòu)中的負(fù)剛度可以增大結(jié)構(gòu)的阻尼比，降低結(jié)構(gòu)的自振周期，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。本項目針對已有的被動負(fù)剛度裝置，擬采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究結(jié)構(gòu)中的被動負(fù)剛度裝置在地震動力作用下對結(jié)構(gòu)的減振機(jī)理及減振控制策略。提出考慮帶有剛度非線性負(fù)剛度裝置的結(jié)構(gòu)簡化計算方法，研究被動負(fù)剛度裝置在結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)計算中的減振機(jī)理并建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；提出被動負(fù)剛度裝置在結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化布置方法，研究安裝于上部結(jié)構(gòu)各層中的被動負(fù)剛度裝置負(fù)剛度值的優(yōu)化設(shè)計問題；根據(jù)負(fù)剛度優(yōu)化設(shè)計值，對被動負(fù)剛度裝置的可調(diào)參數(shù)部件進(jìn)行調(diào)節(jié)，或?qū)ω?fù)剛度裝置進(jìn)行改進(jìn)，并通過試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬的對比來進(jìn)行驗(yàn)證，從而提出了減振控制策略。本項目對被動負(fù)剛度裝置實(shí)際應(yīng)用的研究，對結(jié)構(gòu)抗震減振具有重要的意義。

顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)是對顆粒阻尼和調(diào)諧質(zhì)量阻尼有機(jī)結(jié)合的新型阻尼系統(tǒng)，既能有效拓寬調(diào)諧質(zhì)量阻尼的減振頻帶、提高減振效率和耐久性，又為顆粒阻尼的結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用提供了實(shí)現(xiàn)途徑。本課題將探索該新型阻尼系統(tǒng)的減振機(jī)理及應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)振動控制的效果。通過振動臺和風(fēng)洞模型試驗(yàn)，以及相應(yīng)的數(shù)值理論分析，總結(jié)減振規(guī)律，揭示工作機(jī)理和物理本質(zhì)，著重考察對于地震和風(fēng)振的振動控制效果；建立建筑結(jié)構(gòu)附加該阻尼系統(tǒng)的精細(xì)離散元模型和等效簡化算法，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析及優(yōu)化分析；提出合理的設(shè)計方法，明確相應(yīng)的核心技術(shù)、設(shè)計流程、構(gòu)造、制作、安裝和測試要求，并用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。深入開展該組合減振技術(shù)的理論和試驗(yàn)研究，有助于透徹理解該類非線性系統(tǒng)的減振機(jī)理，對于提出一種新的建筑結(jié)構(gòu)被動控制技術(shù)的解決方案具有重要的理論和工程意義。

顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)是對顆粒阻尼和調(diào)諧質(zhì)量阻尼有機(jī)結(jié)合的新型阻尼系統(tǒng)，既能有效拓寬調(diào)諧質(zhì)量阻尼的減振頻帶、提高減振效率和耐久性，又為顆粒阻尼的結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用提供了實(shí)現(xiàn)途徑。本課題通過振動臺試驗(yàn)、風(fēng)洞模型試驗(yàn)、數(shù)值分析以及參數(shù)優(yōu)化對顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的減振機(jī)理及應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)振動控制的效果進(jìn)行了研究，揭示了其工作機(jī)理和物理本質(zhì)。五層鋼框架的對比試驗(yàn)表明在不同地震作用下，顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)均能達(dá)到較好的減震效果，其中在上海人工波作用下的減震效果最好（均方根位移與加速度響應(yīng)減震率分別達(dá)到72.17%與70.99%）；另外，合理的參數(shù)選取更有利于發(fā)揮顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的性能，開展了附加顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的氣彈風(fēng)洞試驗(yàn)（縮尺比為1：200），試驗(yàn)研究表明顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)對高層建筑風(fēng)致振動響應(yīng)有良好的減振控制效果，控制合理的顆粒密度、增加顆粒數(shù)量、加劇顆粒之間的碰撞等均可以提高其減振效果；基于多顆粒等效原則建立顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的數(shù)值模型，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體吻合較好，峰值加速度吻合較好，而均方根加速度也可以將誤差控制在可接受的范圍內(nèi)；通過微分演化算法對顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)進(jìn)行了全局優(yōu)化，相比于傳統(tǒng)設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計的減振率提高了約50%；最后，提出合理的實(shí)用設(shè)計方法，明確相應(yīng)的核心技術(shù)、設(shè)計流程、構(gòu)造、制作、安裝和測試要求，并用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。本課題展示了顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)在土木工程應(yīng)用的巨大前景，為土木結(jié)構(gòu)振動控制的發(fā)展提供了另一種有效的途徑，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。