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结构风振与地震响应的TMD控制

秦丽  
【摘要】: 自1972年美国学者Yao提出结构控制的概念以来,结构振动控制的研究得到了快速发展。调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)安装灵活方便,应用较为广泛。本文在广泛研究国内外研究成果的基础上,针对TMD风振地震控制作了下面几方面的研究: (1)TMD对简谐激励和风荷载所致振动的控制效果得到了一致的肯定。本文进行了河南艺术中心标志风振控制塔悬吊式TMD设计、试验性能测试、现场调试安装及其风振控制的线性、非线性分析。所设计的TMD利用十字形万向铰连接主体结构与刚性吊杆,使该质量阻尼器对各个方向的振动均能起到控制作用;而且避免了质量块的扭转和抖动;所设计TMD采用十字轴轴承部位安装摩擦阻尼片的方法提供阻尼力。新的阻尼方式价格低廉、安装和维护都很方便。SAP2000线性分析表明,设计的TMD减振控制系统合理设置参数的情况下塔顶最大水平位移减振率30%以上。实验室性能测试表明,TMD装置加工质量满足设计要求,动力参数和可调范围满足要求,测试合格。采用更为准确的TMD非线性模型进行的分析结果表明,在选定控制目标荷载的情况下,可以选出最优的摩擦力,而如此选出的摩擦力在较大范围的荷载作用下,所设计TMD的控制效果都很不错。 (2)由于地震激励的复杂性,目前关于TMD地震控制的效果还没有一致的结论。另外,TMD参数优化的方法有很多,它们对TMD地震控制效果的影响还没有充分的研究。本文分析比较了现有TMD最优参数确定方法用于地震控制时的效果;从反应谱的概念出发,研究了单自由度结构的TMD地震控制效果;以河南艺术中心标志塔为原型,研究了TMD、MTMD用于多自由度结构地震控制的效果。 (3)进行常摩擦TMD理论和实验研究,简谐激励的研究表明,常摩擦TMD增加摩擦力可以有效降低频响曲线峰值,但随着摩擦力增加,摩擦TMD不能完全启动的区域也在增加。风振地震控制分析表明,在同样的地震波幅值,同样的摩擦力下,不同结构的控制效果是不一样的。 (4)为了提高摩擦TMD的控制效果,本文提出了两种被动变摩擦阻尼装置用于TMD,通过改变摩擦面的正压力和改变摩擦面的等效摩擦系数两种方法实现摩擦力随位移增大而增大。理论和试验研究结果都表明变摩擦TMD与经典TMD的类似,它的控制效果不会随着荷载大小的变化有明显的变化,原因在于变摩擦的摩擦力随位移增大是增大的。 (5)地震是典型的冲击载荷,通常在很短的时间内达到峰值,而这么短的时间内TMD常常还没来得及达到需要的速度和位移,导致TMD的减震效果十分有限。本文提出了一种可以加速TMD启动和调整TMD和主结构运动相位关系的调速型TMD。针对提出的调速TMD原理,编制了相应程序,进行了控制效果分析,并和现有被动TMD、MTMD以及变阻尼半主动TMD控制效果进行了比较。结果显示了调速TMD的优越性。


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