带限位TMD的抗风动力可靠度研究

摘要：针对实际高层高耸结构在设置TMD控制装置时,存在空间位置有限、TMD行程受限的问题,进行了带限位TMD的抗风动力可靠度研究。首先,采用虚拟激励法计算复杂高耸结构—TMD体系在脉动风荷载下的随机风振响应;然后,基于随机振动的首次超越破坏准则,研究TMD装置在容许行程范围内不同重现期风荷载下的动力可靠度。并以国内在建的第一高塔-广州新电视塔为工程算例,验证了该研究在实际设计中所具有的重大工程意义。     

非线性被动动力减振器对高耸结构风振控制的实用设计方法

以两个被控结构风振反应的控制效果相等为原则，本文建立了非线性被动动力减振器对高耸结构脉动风振反应控制的等效TMD方法。文中利用求出的等效TMD动力参数和TMD对结构风振反应控制效果等效结构阻尼比的概念，提出了基于中国荷载规范的非线性被动动力减振器对高耸结构风振控制的设计方法。     

高层钢结构TMDs风振舒适度控制最优参数与简化设计

分别将脉动风视为白噪声和采用Davenport风速谱，基于建筑荷载规范GBJ9－87，导出了高层钢结构－TMD系统减振系数DRF1和DRF2。数值研究表明；高层钢结构的基本周期和基本风压不影响TMDs最优设计参数；将脉动风设为白噪声或采用Davenport风速谱时，TMDs最优设计参数未有改变，但减振系数略有变化。同时，基于导出的高层钢结构TMD－系列加速度传递函数及加速度动力放大系数，研究了TMDs最优参数取值。提出了高层钢结构TMD风振舒适度控制简化设计过程。数值算例说明了本文方法的应用及TMDs对高层钢结构风振舒适度控制的有效性。比较了基于位移和加速度设计的TMDs系统。     

大跨屋盖结构脉动风振响应特性预测方法研究

基于结构脉动风振响应计算的三分量(背景、共振及其耦合项)完全组合思路,提出一种大跨屋盖结构脉动风振响应特性预测方法,据此实现结构脉动风振总响应的高效精准计算。引入应变能的概念,综合考虑结构所有节点上三分量响应对脉动风振总响应的贡献,定义各响应分量应变能预测系数,为了避免直接计算各响应分量具体数值,根据大跨屋盖结构各响应分量传递函数和风荷载谱特征,对各响应分量表达式进行简化处理,实现只需借助几个简单的风荷载参数和结构动力特性参数就能方便地得到各响应分量应变能预测系数。根据各响应分量应变能预测系数取值情况,将大跨屋盖结构脉动风振响应特性划分为I~VI类,在此基础上,制定与风振响应特性类型相对应的脉动风振总响应组合求解策略。以国家网球中心莲花球场屋盖结构为例,进行结构脉动风振响应特性类型预测以及风振响应组合计算。结果表明:所提方法能够方便地预测结构脉动风振响应特性类型;据此组合计算的脉动风振总响应与精确值吻合较好。     

变截面高耸结构的横向风振研究

针对我国现行的高耸结构设计规范中横向风振还只能考虑等截面结构的局限，本文在基于气动弹性理论的锁定区域研究和等截面结构的横向风振讨论基础上，详细研究了变截面高耸结构的锁定激励响应，并据此提出了其横风向抗风设计建议。研究表明，目前工程中所采用的高耸结构横向风振设计验算法在共振区域的确定和验算风荷载等方面应作重新评价。文中给出的工程实例表明应用本文提供的理论方法进行的高耸结构横向抗风验算是合理而简便的。     

基础隔震结构基于Clough-Penzien谱随机地震响应分析的复模态法

对多自由度基础隔震结构基于Clough-Penzien谱随机地震响应问题进行了系统研究。首先建立了运动方程，然后用第一振型将上部结构展开，针对所得方程为非经典阻尼、非对称质量和非对称刚度情况，用复模态法和扩阶法解耦，获得了以第一振型表示的结构随机地震响应的解析解，对单自由度隔震体系，此解即为结构响应的精确解，从而建立了两自由度体系在任意非经典阻尼、非对称质量和非对称刚度情况下基于Clough—Penzien谱随机地震响应解析解分析的一般方法。该方法也可用于带TMD、TLD结构、无损伤“加层减震”加固结构的随机地震响应分析及其基于动力可靠性约束的优化设计。     

智能TMD对高层建筑风振响应的抑制

将传统的TMD与磁流变阻尼器相结合，设计了用于高层建筑抗风的新型智能TMD。采用修正的Bingham模型来描述磁流变阻尼器的力学性能。根据滑模控制(SMC)算法，研究了如何用智能TMD半主动控制系统对高层建筑的风响应进行抑制以及当控制系统的输出反馈状态受限时的控制方法。本文算例表明，当半主动控制策略一样时，最优控制和滑模控制两种控制算法的控制效果相差不大；当结构参数出现不确定和反馈状态受限时，本文提出的智能TMD控制系统的风控效果仍然良好。     

带TMD结构随机地震响应分析的复模态法

本文对多自由度带TMD结构的随机地震响应问题进行了系统研究。首先将结构简化成多层剪切型模型。然后建立运动方程，根据结构的振动反应以第一振型为主，将结构按第一振型展开，针对所得方程为非经典阻尼，非对称质量和非对称刚度情况，运用复模态理论进行解耦，获得了以第一振型表示的结构地震响应的解析解，对单自由度体系，此解即为结构响应的精确解，从而建立了两自由度体系在任意非经典阻尼，非对称质量和刚度情况下随机地震响应解析解分析的一般方法。本文方法也可用于基础隔震结构和无损伤“加层减震”加固结构的随机地震响应分析与优化设计。     

大跨越输电塔结构风振控制

本文以沿山头大跨越输电塔为工程背景，讨论了不同高度多个TMD（调频质量阻尼器）对大跨越输电塔结构脉动风反应的振动控制。应用随机振动和多变量非线性优化方法对TMD装置的阻尼比进行了优化。对装有TMD的输电塔结构风振控制进行了模拟，同时还对控制效果进行了时频域对比和动力可靠度评估。     

雷暴风激励下简支梁式屋盖结构的风振响应参数化分析EI北大核心CSCD

基于时域分析方法对简支梁式屋盖结构在雷暴冲击风作用下的风振响应进行参数化研究。利用混合随机模型对雷暴冲击风强风荷载进行数值模拟,其中平均风采用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟,脉动风采用基于Kaimal目标谱的自回归AR模型模拟,谱分析结果表明雷暴风模拟结果具有较好的精度;分析了结构主要参数和雷暴风参数对结构风振响应的影响,结果表明:结构刚度、跨度、最大风速半径及风暴移动速度对结构的风振响应影响较大。针对雷暴风中平均风和脉动风响应均随时间变化的特性,采用基于包络概念的整体风振系数计算方法,分别研究了不同参数下的整体位移风振系数和整体荷载风振系数,结果表明,采用结构整体位移风振系数进行雷暴风等效静风荷载分析具有更高的精度。     

大跨度平屋面的风振响应及风振系数

本文在有限元分析的基础上建立了大跨度平屋面结构在风荷载作用下的风振响应谱分析方法,并采用Davenport谱和由风洞试验得到的屋盖表面的平均风压分布系数计算了屋面的风振响应及风振系数。文中还深入探讨了屋面刚度、来流风速及风向等参数对大跨度平屋面竖向风振响应及风振系数的影响。计算表明:① 大跨度平屋面的竖向风振响应主要是由第一振型所支配,高阶振型对屋面板竖向风振响应的影响很小;② 屋面刚度及来流风速对大跨度平屋面的竖向风振响应影响比较大,但对位移风振系数的影响不太明显;③ 在工程设计中,建议采用位移风振系数来计算大跨度平屋面的等效静力风荷载。     

某菱形截面纪念碑风致气弹响应风洞试验研究

对某高100米的菱形截面纪念碑进行刚性模型多点同步扫描测压与摆式气弹模型测振风洞试验,进而在测压数据基础上建立频域风荷载模型并采用随机振动分析方法计算结构风振响应,同时应用随机减量技术（RDT）识别了该气弹模型风致振动时的气动阻尼比。当在频响函数中考虑气动阻尼比后的风振响应计算结果和气弹模型试验值具有很好的一致性。由于实际结构振型与摆式模型线性振型存在差异,用振型修正系数修正气弹模型试验结果可得到实际结构风振响应。分析结果表明,刚性模型测压建立荷载模型,结合气弹模型测振识别气动阻尼,代入实际结构频域响应计算方法能够较精确地评估强风作用下低频小阻尼高耸结构的风致气弹响应。     

架空线路绝缘子串动态风偏响应的敏感度特性EI北大核心CSCD

绝缘子串动态风偏响应敏感度可以展现风偏摆动幅值随设计参数的变化规律,有利于设计人员的理解和使用。为探究绝缘子串动态风偏响应敏感度特性,通过导线摆动固有频率不变原则提出能充分表征架空线路风偏运动的导线等效模型,建立了绝缘子串和架空导线耦合风偏运动的两自由度动力学模型;以幅频特性曲线与脉动风速谱各自峰值为切入点,运用风偏响应均方值分析了绝缘子串风偏幅值对线路结构和风速的敏感度,提出了动态风偏响应敏感风速的表达式。研究发现:绝缘子串风偏响应均方值与线路垂平比呈正比例关系,平均风速为敏感风速时绝缘子串风偏摆动最为剧烈,架空线路设计时应合理地选择线路结构使绝缘子串风偏敏感风速避开当地的卓越风速,从而降低线路发生风偏闪络的可能性。     

索膜结构风振气弹效应的风洞实验研究

提出一种可以考虑索膜结构与风荷载动力耦合作用的简化气弹力学模型方法。以该方法为理论基础,进行了多个鞍形索网和鞍形膜结构的缩尺模型风洞气弹实验。研究内容包括:1)通过对形状相同的刚性模型和弹性模型表面的脉动风压与结构响应观测,探讨了附加气动力对结构响应的影响;2)利用随机减量技术对实验数据进行处理,实现了对气动阻尼、附加质量等参数的识别;3)通过对大量试验数据分析,得到了附加质量和气动阻尼随来流风速、风向、结构刚度和结构振动模态的变化规律。实验结果表明:气动阻尼对结构振动的影响较为显著,特别是对结构的低阶模态,气动阻尼比可达到15%左右;附加质量对结构振动的影响较小,其量级仅为结构质量的1倍―2倍左右。该试验过程中未发现结构出现整体气弹失稳现象,但在某些工况下,在结构局部测点出现气动负阻尼。     

桅杆结构随机风振的离散分析法

风致振动是桅杆结构安全性的控制因素。由于这种结构存在频谱密集的动力特性,不适合采用振型迭加法进行分析。为此本文引入一种新的频域方法计算桅杆结构随机风振响应。基于随机振动的离散分析理论,推导出白噪声激励下结构动力响应的递推公式。经过对风荷载这种有色噪声进行白噪声滤波,桅杆结构的风致振动描述为白噪声激励下的随机振动。于是离散分析理论适用,推导出桅杆结构随机风振响应的递推公式。采用线性化模型时,该方法绝对收敛。计算结果表明,当桅杆结构处于正常使用状态时,采用离散分析理论可以得到满意的精度。     

剪切型基础平动与转动结构随机地震响应分析的复模态法

对多层剪切型结构考虑基础平动与转动的随机地震响应问题进行了系统研究。首先建立了结构运动方程,并根据结构的振动反应以第一阶振型为主的特点,将结构按第一振型展开;然后针对所得运动方程为非对称质量与非经典阻尼矩阵的情况,用复模态法解耦,获得了体系位移、速度和加速度随机响应的解析表达式,并给出了算例。该方法可推广到非平稳地震响应分析     

结构-土相互作用体系的地震作用取值——基于规范地震动模型的复模态时域法

对多自由度结构-土相互作用体系基于规范地震动模型的复模态时域法的地震响应问题进行了系统研究。首先建立了结构运动方程，针对所得运动方程为非对称质量与非经典阻尼矩阵的情况，用复模态法解耦，然后采用与新抗震规范地震动参数一致的Clough-Penzien非平稳随机地震动模型进行随机地震响应分析，获得了体系相对位移方差的时域解。从而可得等效平稳化方差及其峰值，由此便可以得到结构的地震作用取值。晟后，通过一个例子来说明结构-土相互作用体系的地震响应和地震作用取值的计算方法，同时给出了由规范的反应谱法得到的基础固定结构的各质点位移和地震作用取值。     

Stochastic optimal control of wind-excited tall buildings using semi-active MR-TLCDs

A new semi-active control device, magneto-rheological tuned liquid column damper (MR-TLCD), has been devised recently by the authors for mitigation of wind-induced vibration response of tall building structures. The developed device combines the benefits of magneto-rheological smart materials and tuned liquid column dampers. In this paper, real-time semi-active vibration control of tall building structures incorporating nonlinear MR-TLCDs under random wind excitation is studied by means of the statistical linearization method and the optimal linear quadratic (LQ) control strategy. The equations of motion of a tall building structure subjected to random wind loading and controlled by using MR-TLCDs at the top floor are first derived and represented in modal coordinate. After linearizing the uncontrollable part of MR-TLCD damping force and incorporating it with structural components, the classical linear quadratic (LQ) control strategy is applied to the linearized structural system to determine optimal control force of the MR-TLCDs. Clipping treatment is performed to ensure the commanded control force implementable by the MR-TLCDs. Wind-excited response of the semi-actively controlled structural system is evaluated by using the frequency-response function and then compared with that of the passively controlled structure to determine the control efficacy. A case study of a 50-story building structure is conducted to illustrate excellent control efficacy of the proposed semi-active MR-TLCD control system.