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《辽宁科技大学》 2018年
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非线性空间悬吊质量摆减震控制的研究

黄辰  
【摘要】:输电塔等高耸建筑物的高度较高,自振周期较长,在遭受风荷载和地震作用时动力响应往往较大,容易导致结构产生疲劳损伤,会影响结构的安全和使用功能。在极端的情况下,甚至会发生整体倒塌或破坏。因此,对输电塔等高耸结构进行振动控制是十分重要的。而悬吊质量摆减振体系具有原理简单、减振效果明显、造价低、可靠性高、易于安装等诸多优点,因此被广泛地应用到实际的输电塔结构中。但是目前关于悬吊质量摆减振控制系统的计算模型,通常采取简化的平面模型,即仅考虑摆在竖直平面内的转角一个自由度。但事实上,由于受多维地震动的影响,悬吊质量摆的振动实际为空间振动,不只在垂直平面内有摆角,而且在水平平面内也有转角,因此应该考虑摆在水平和竖直平面内的两个自由度,采取空间模型。这种悬吊质量摆空间模型的振动频率与振动特性,与平面模型的振动特性有着很大的区别。关于悬吊质量摆的空间振动特性问题,本文做了如下几个部分的研究工作:(1)举例说明了高耸建筑结构在疲劳损伤和极端环境荷载作用下的倒塌破坏现象;阐述了结构振动控制原理;介绍了基本的振动控制方法和装置,分析了有关悬吊质量摆的国内外研究现状。(2)考虑悬吊质量摆在平面内和平面外振动的情况,根据所提出空间计算模型,建立起体系的运动方程。再以一单自由度结构为例,建立了空间悬吊质量摆—结构耦合体系的运动方程,通过数值方法对其运动方程进行求解。最后通过与平面模型的对比以及对外部激励的周期、摆长、质量比、转角的幅值等参数的分析,深入研究悬吊质量摆的平面内、外的振动对系统减振性能的影响规律。(3)以一柔性输电塔为例,首先采用SAP2000建立了输电塔结构的三维有限元模型,通过模态分析得到了输电塔结构的前六阶频率和周期;由于本论文所选取的输电塔自由度较多,在后续的计算过程中较为复杂,因此采用简化的串联多质点模型来代替有限元模型。然后通过对比简化模型和有限元模型,验证了串联多质点模型的有效性。然后输入El-centro地震波,分别计算了无控、平面摆和空间摆控制下整个耦合体系的动力响应,分析平面外的振动对悬吊质量摆减振效果的影响,从而验证空间模型算法的合理性;选取8条不同的地震波分别代表不同的场地类型,分析了场地类型和地震强度对悬吊质量摆的空间振动特性以及减振效果的影响,再次证明了空间模型算法的正确性以及考虑摆在平面外振动的影响的必要性。(4)选取一两层的框架模型,针对悬吊质量摆减振体系的空间振动特性和减振效果开展了振动台试验。通过振动台对试验模型施加了不同的正弦激励和地震激励,并采集了振动台和结构的加速度数据。通过对比结构在无控和有控的情况下结构顶层的动力响应,对悬吊质量摆的减振效果进行了评估。再通过对比单、双向激励下结构顶层的动力响应,分析了平面外的振动对悬吊质量摆减振效果的影响,证明了本文中的空间计算模型的合理性。
【学位授予单位】:辽宁科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TU973.3

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【参考文献】
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