巨-子结构控制体系的减震机理及性能分析

建立了巨-子结构控制体系的运动方程,通过分析其动力特性得出巨-子结构控制体系的减震机理,结果表明,当子结构与主结构的质量比较小时表现为TMD调谐,质量比较大时表现为基础隔震,中间区域为层间隔震;利用复模态理论基于遗传算法以结构基底剪力为优化目标对子结构的物理参数进行优化;经希尔伯特-黄变换得到结构体系在时频平面上的边际谱,通过比较主结构与子结构顶部位移及加速度的边际谱强度验证了巨-子结构控制体系减小地震反应的有效性。最后,采用时程分析法从能量角度进一步验证了巨-子结构控制体系的适用性与可靠性。     

悬挂结构动力特性的时频分析

采用振型叠加法对悬挂结构系统的运动特性进行分析研究;通过对悬挂子结构和主支撑结构的相互作用进行频域分析,提出地震动激励下悬挂子结构对主支撑结构的作用是在主支撑结构上添加悬挂子结构的复惯性质量,即悬挂子结构静态和动态质量(悬挂子结构振动作用与引起振动的外界激励加速度的比值)之和;根据悬挂子结构的复惯性质量和主支撑结构的模态参数,对悬挂结构系统的耦合动态响应进行了频域研究,采用时程分析方法对结果进行验证;同时,对悬挂结构系统与TMD/MTMD的减震原理进行了比较分析。     

巨-子结构减震体系基于能量的参数优化分析

建立了巨-子减震结构体系简化模型的运动方程,推导了结构弹性变形能等效速率功率谱。结构在随机地震激励下,分别以巨-子结构底层主结构弹性变形能和等效两自由度体系下部结构弹性变形能最小为优化目标,对比分析其最优参数以及减震系数。结果表明,质量比较小时减震机理表现为TMD质量调谐,质量比较大时为基础隔震,而中间区域为层间隔震。最后,通过减震系数的对比,体现了巨-子减震结构具有更好的鲁棒性。     

地震作用下调频质量阻尼器减震效果试验研究

为考察地震作用下调频质量阻尼器(TMD)的减震效果,按简谐激励作用下双自由度TMD结构最优参数设计和加工了一个设置TMD减震子结构的钢框架模型,采用电磁振动台加载,对其在简谐激励和地震波作用下的动力响应规律进行了试验研究。试验结果表明:简谐激励作用下TMD的减震效果受激励频率的影响非常明显,当激励频率与结构自振频率接近时,减震效果好,远离结构自振频率时,减震效果变差,还可能会放大结构的响应;地震波作用下TMD的减震效果受到地震波频域能量分布的影响,当地震波中与主结构频率相对应分量的反应谱值位于反应谱曲线的局部极小值附近时,TMD可能会放大结构的地震响应;反之,当主结构对应反应谱值位于反应谱曲线的局部极大值附近时,减震效果非常显著。研究结果表明TMD减震技术应用于结构抗震设计时,需详细考察其减震效果的可靠性,不能仅仅依据规范要求的3组地震波作用下的结果加以设计。     

水平荷载作用下的改进巨型结构控制性能分析

巨型结构体积巨大,形式复杂,体系内各类结构构件及重要程度存在着明显的分级,通过等效模型分析初步设计及全面把握巨型结构体系的受力特性.以改进巨型结构的主结构顶层以及最高子结构项层位移及加速度响应作为控制目标,运用ANSYS动力分析中的功率谱密度分析(PSD),采用Kanai-Tajimi地震激励功率谱的修正模型,研究改进巨型结构的设计参数变量如:主、子结构的刚度比PK,主、子结构的基本频率比对改进巨型结构控制效果的影响.     

相邻结构减震体系参数随机性影响分析

根据黏滞阻尼器连接相邻结构减震体系的2-DOF模型,以平稳白噪声为地震激励,建立了结构振动能量表达式,分别以单体塔楼和整体结构的振动能量最小为控制目标,建立了优化连接阻尼参数理论表达式.分析了结构频率比和质量比的随机性对优化连接阻尼、结构减震效果的影响以及连接阻尼参数随机性对减震效果的影响.最后对某工程算例进行了位移反应分析,对比了减震效果.结果表明,依据简化模型得到的优化连接参数可以适用于多自由度体系,两结构频率比的随机性对优化连接参数及减震效果有一定影响,质量比的随机性对二者影响较小,而优化连接阻尼随机性对减震效果的影响则可以忽略不计.     

地震作用下复阻尼调频质量阻尼器减震结构优化设计

分析了简谐激励和平稳随机激励条件下,复阻尼调频质量阻尼器(TMD)和主结构的二自由度减震结构体系的稳态地震响应,建立了动力学平衡方程,推导了复阻尼TMD的阻尼和频率最优参数的理论公式,并分析了该二自由度减震结构体系在多条地震波作用下的减震效果,对比了复阻尼TMD和粘滞阻尼TMD减震效果的差异,结果表明:复阻尼TMD的减震效果接近于粘滞阻尼TMD的结果,在应用TMD减震技术时,复阻尼TMD也是一种选择。     

惯性减振和基础隔震混合控制研究

隔震结构是最为常见的减震方式之一,通过设置隔震层可以有效减小上部结构的地震反应,但同时隔震层也将承担较大的位移反应,这往往成为隔震结构设计时的主要限制因素。通过在隔震结构上加装调谐质量阻尼器(TMD)可以在一定程度上减小隔震层的位移反应,但是其减震效果受到质量比的限制。基于此,本文拟对一种新型的惯性减振装置(旋转惯性双重调谐质量阻尼器(RIDTMD))和基础隔震混合控制结构进行地震作用下的响应分析。RIDTMD在传统的弹簧单元和阻尼单元外又加入了质量单元,利用质量单元的旋转惯性进行减震,从而实现较大的表观质量,使减震效率和鲁棒性均有所提高。以某8层基础隔震结构为算例,研究了RIDTMD对混合控制体系控制效果的影响,并对TMD与惯性减振装置在隔震结构中的减震效果进行了比较。     

大跨维修机库竖向地震响应的被动控制研究

大跨维修机库屋盖竖向模态频率分布密集,竖向地震响应显著。针对机库结构,研究其屋盖竖向振动被动控制方法。结合大跨机库的动力特性,提出采用调谐质量阻尼器(TMD)系统减振方案,并针对某机库进行减震分析,从时域、频域不同角度研究屋盖节点竖向地震响应的减震效果。进一步提出大跨机库多组TMD系统减震方案,分析不同参数组合下频域内机库屋盖节点的减震效果及其分布规律。研究结果表明,地震波频谱特性对机库采用调谐质量阻尼器的减震效果具有较大的影响,应根据具体结构动力特性及场地特点来确定合理的减震方案。     

子结构质量对TMD减震性能影响研究

研究将结构自身一部分质量作为TMD的多重TMD减震体系，通过数值分析，探讨子结构质量对主结构地震响应的影响。由于子结构不仅充当TMD，而且承担结构的其他功能，因此对子结构的地震响应也进行了分析。研究结果表明，增大子结构的质量可以有效的降低主结构的地震响应，子结构的地震响应也随之降低。     

Optimum design of tuned mass dampers for different earthquake ground motion parameters and models

Tuned mass dampers are frequently used for passive control of vibrations in civil structures subject to seismic and wind actions. Their efficiency depends on selection of their mechanical properties in relation to main system and excitation characteristics. This paper proposes an optimum design strategy of single tuned mass dampers to control vibrations of principal mode of structures excited by earthquake ground motion. The main purpose of the paper is to investigate the influence of the time modulation of earthquake excitation upon the optimal tuned mass dampers design parameters: frequency and damping ratio. The study is based on numerical analyses carried out with different stochastic models for earthquakes: a simple filtered white noise model and two time modulated filtered white noise models. The numerical analyses are carried out to solve an optimization problem with a performance index defined by the reduction of the standard deviation of either the structure displacement or its inertial acceleration as objective function. To complete the work, the influence of the bandwidth excitation over the values of the optimal tuned mass damper parameters is investigated, as well the optimum mass ratio and the structure frequency. The results of the numeral analyses carried out infer that the earthquake excitation characteristics, including its modulation in time domain, highly affect the optimum tuned mass damper design parameters values.     

采用颗粒调谐质量阻尼器的钢框架结构振动台试验研究

通过附加和不附加颗粒调谐质量阻尼器的5层钢框架振动台试验,研究其在实际地震波以及上海人工波激励下的减震效果。通过调整不同悬挂长度（频率比）、质量比、颗粒到阻尼器壁净距等参数,分析阻尼器参数对其减震效果的影响。试验结果表明：不同地震作用下该类阻尼器均能达到较好的减震效果,其中上海人工波的减震效果最好;对于多层钢框架结构,阻尼器能够有效控制第1振型的振动,但是对于高阶振型的控制作用无法保证;当阻尼器频率与主体结构基频相同时,能够达到最优减震效果,而当二者频率不同时,依然有一定的减震效果,说明其具有一定的鲁棒性;在合适的质量比（0.66%）下,阻尼器能够达到最佳减震效果;当颗粒到容器内壁净距为1.6D~3.6D时,可使阻尼器响应最小,且减震效果较好。     

半主动电涡流单摆式调谐质量阻尼器减震性能研究

为了提高传统的调谐质量阻尼器（TMD）对建筑结构的减震效果,提出了一种可实时调整频率和阻尼的半主动电涡流单摆式调谐质量阻尼器(SAEC-PTMD)。由Hilbert-Huang变换(HHT)识别结构的瞬时频率,通过基于HHT的控制算法实时调节SAEC-PTMD的摆长进行频率的调节。研究并拟合了电涡流有效阻尼系数与磁导间距之间的关系,通过基于线性二次型高斯(LQG)的控制算法实时调节磁导间距,以实时调节阻尼系数。为了验证SAEC-PTMD对建筑结构的减震效果,对一单自由度结构模型在地震激励下的震动响应进行数值模拟。数值模拟中,采用一经优化设计的被动TMD (PTMD)作为对比,并考虑由主结构的累积损伤引起自身频率下降而造成PTMD的失调效应。以主结构的加速度和位移时程峰值、整体均方根值及其加速度和位移反应谱作为评价指标,评估了SAEC-PTMD在结构发生损伤前后对PTMD的改良效果。数值模拟结果表明,在结构发生损伤前后,SAEC-PTMD均比经优化设计的PTMD具有更好的减震效果。     

结构水平-扭转耦合振动控制研究

运用调谐质量阻尼器(TMD)对结构水平-扭转振动进行控制。建立了扭转耦合结构控制的三维有限元模型;为了提高TMD的有效性,使模态位移响应的均方值之比(结构有无TMD)最小化,对TMD参数进行优化。数值算例表明本文方法对长宽比较大的结构切实有效。     

新型调谐黏滞质量阻尼器对斜拉桥的减震控制分析

以一种新型的调谐黏滞质量阻尼器（Tuned viscous mass damper, TVMD）作为控制装置,实现了对斜拉桥的控制模型建立及减震控制分析,探讨了TVMD装置减震的适用性和有效性。基于TVMD装置的工作原理和力学模型,建立了多自由度空间结构多TVMD控制装置在地震激励下的状态空间控制模型和传递函数模型|基于H2控制理论,以结构控制目标响应传递函数的H2范数作为优化目标,提出了利用分步参数扫描进行多TVMD控制装置参数优化设计的方法|以南京长江三桥作为控制对象,针对其在纵桥向地震激励下的振动,分别以TVMD、调谐质量阻尼器（TMD）和黏滞阻尼器（VD）作为控制装置,进行了控制方案的设计与效果的对比分析,对比分析结果表明,TVMD减震控制装置具有更为显著的减震效果及更优的耗能效应。     

地震作用下某高层结构MTMD减震控制研究

通过数值模拟研究了地震作用下高层结构多个调谐质量阻尼器(MTMD)减震控制。根据实际工程,利用国际通用软件ETABS建立了结构三维有限元模型,进行了动力特性的分析,得到了结构的前几阶频率;根据不同场地类型,选取了4条典型的地震波;研究了调谐质量阻尼器(TMD)的参数选取和有限元的模拟;运用时程分析方法,分别研究了不同地震作用下高层结构有无控制下的反应。研究结果表明,MTMD对高层结构的减震控制效果明显,场地类型对减震控制效果有一定的影响。所获得的结果为高层结构减震控制设计提供参考和依据。     

考虑SSI效应及支座转动的隔震体系性能研究

土-结构相互作用对结构的地震反应有着重要的影响。隔震支座竖向变形引起的隔震层转动会加剧上部结构的摇摆,进而放大结构的地震响应。提出基于Timoshenko理论的考虑SSI效应及隔震层转动影响的隔震结构通用计算模型,推导并求解结构运动方程,采用虚拟激励法进行随机响应分析,进一步研究隔震层转动刚度、土体参数等对隔震结构地震响应的影响规律。分析表明：SSI效应降低了隔震效果,其对隔震结构楼层转角位移放大的影响与土-结构刚度比有关。隔震层转动刚度变化对隔震结构顶层加速度、基底倾覆力矩等影响较小,但对结构楼层转角位移有较大影响,隔震层转动刚度取值较小时,上部结构楼层转角甚至会出现大于抗震结构的情况。     

Experimental parametric study on wind‐induced vibration control of particle tuned mass damper on a benchmark high‐rise building

A particle tuned mass damper system is an integration of tuned mass damper and particle damper. The damping performance of such device is investigated by an aero‐elastic wind tunnel test on a benchmark high‐rise building. The robustness of the system is studied by comparing the damping performance to that of a traditional tuned mass damper, and the results show that the damper has excellent and steady wind‐induced vibration control effects. Meanwhile, the parameters (filling ratio, mass ratio, and mass ratio of the container to particles), which have great influence on the vibration reduction performance of the system, are also analyzed, and it is found that the particles filling ratio plays the most important role in deciding the damping effects of the dampers. There exists an optimum filling ratio and mass ratios in which the damper can reach the best damping state. Proper parameter selections can greatly improve the damping performance.     

地铁上盖层间隔震结构竖向地震响应

为了考察地铁上盖大底盘-层间隔震塔楼在竖向地震作用下的响应,对大底盘-层间隔震塔楼竖向振型的特点、周期和振型质量参与系数进行了分析。在设防烈度竖向地震作用下,通过振型分解反应谱法和时程分析法考察大底盘-层间隔震塔楼结构的基底剪力、隔震垫反力和转换梁内力,研究塔楼高度、隔震层竖向刚度等参数对大底盘-层间隔震塔楼竖向地震响应的影响。结果表明:大底盘-层间隔震塔楼结构存在塔楼竖向主振型,随着塔楼高度增高,竖向主振型的周期和振型质量参与系数逐渐加大; 在设防烈度竖向地震作用下,塔楼底部竖向地震力与重力荷载代表值之比(垂重比)的平均值为0.35,比非隔震塔楼平均增大4.6%; 隔震垫竖向地震反力与重力荷载代表值下反力之比(反力比)的平均值为0.30; 大底盘转换梁竖向地震下弯矩与重力荷载代表值下弯矩之比(弯矩比)的平均值为0.31; 随着塔楼高度增大,垂重比、隔震垫竖向反力比以及转换梁弯矩比均相应减小。     

Mechanism and optimum design of shared tuned mass damper for twin‐tower structures connected at the top by an isolated corridor

The concept of shared tuned mass damper (STMD) for twin towers linked by a sky corridor using flexible joints is proposed in this paper. The analytical expressions of the transform functions and random earthquake responses of the flexibly connected structures are derived using a three‐degrees‐of‐freedom model system. The seismic reduction mechanism of the STMD is revealed using comparative analysis between the structures with STMD and those connected using a viscoelastic damper. The effect of the nondimensional parameters such as the frequency ratio of the two primary structures, mass ratio, tuning frequency ratio of the corridor, and damping ratio of the passive control devices on the structural seismic response is investigated. Optimum parametric analysis is performed using the principle of minimizing the displacements of both towers, and the optimal parameter formulas are established. Numerical analysis is conducted to verify the control effectiveness of the connected multi‐degree‐of‐freedom system subjected to the El Centro earthquake ground motion. The results show that the earthquake responses of the towers can be effectively reduced if the parameters of the flexible connecting elements are appropriately selected for a certain corridor mass. Moreover, a remarkable seismic reduction effect can be achieved if the towers have similar dynamic properties.