随机地震作用下TMD等效附加阻尼比研究

针对随机地震作用下TMD给结构提供的附加阻尼比展开研究。随机地震动采用过滤白噪声Kanai-Tajimi功率谱模型,并将Kanai-Tajimi功率谱模型描述的场地过滤效应表示成传递函数形式,进而推导出结构相对于基岩的位移动力放大系数。然后,结合SRSS方法,以结构位移响应均方值作为评价准则,提出了随机地震作用下TMD提供给结构任意阶模态的等效附加阻尼比理论公式。最后,以某景观塔作为工程算例展示了TMD等效附加阻尼比的求解流程,并验证了该等效附加阻尼比公式的有效性。算例分析结果表明,使用等效附加阻尼比指标来评估TMD减震性能是合理有效的,且使用推导的TMD等效附加阻尼比理论公式能更准确地评估TMD对结构位移响应的控制效果。     

风荷载作用下复刚度阻尼TMD减振结构优化设计

利用复刚度阻尼进行减振的优化设计理论亟需发展。建立具有复刚度阻尼特征的调频质量阻尼器(TMD)减振结构的动力学方程,并基于定点理论提出了采用复刚度阻尼的TMD结构最优频率比和最优阻尼比确定方法。对具有复刚度阻尼特征的TMD减振结构在简谐激励和平稳随机激励下的稳态响应进行了分析。以主结构位移振幅最小为优化条件,推导TMD的阻尼和频率最优参数的理论公式。结果表明复刚度阻尼TMD的整体减振效果接近于黏滞阻尼减振结构,在相同质量比和一定频率范围内,复刚度阻尼比黏滞阻尼可能具有更好的减振效果。对Davenport风速谱下复刚度阻尼TMD减振结构的随机响应进行分析,结果表明TMD的减振效果要弱于白噪声作用下的结果,复刚度阻尼TMD减振效果稍逊于黏滞阻尼的情况,但二者结果较接近。在应用TMD减振技术时,采用复刚度阻尼是一种有益的选择方案。     

TMD-基础隔震混合控制体系在近场地震作用下的能量响应与减震效果分析

基于能量平衡原理对近场地震作用下TMD-基础隔震混合控制体系进行了能量响应分析,研究了不同脉冲周期地震作用下混合控制体系的减震效果。采用Bouc-Wen模型模拟隔震层的非线性力-变形行为,建立了TMD-基础隔震混合控制体系的运动方程和相对能量平衡方程。以某八层基础隔震结构为算例,运用四阶龙格-库塔法和梯形法分别对结构安装TMD前后的非线性地震响应和能量响应进行求解,分析了混合控制体系中输入能量的变化和耗散过程。分析结果表明：以隔震层峰值位移作为控制对象时,TMD的控制效果并不好;从能量的角度来看,TMD对主结构的输入能,特别是隔震层滞回耗能的控制非常有效,这是因为TMD的阻尼耗散了体系中的大部分输入能;不同脉冲周期地震作用下TMD的减震效果差别较大,对TMD最优参数进行求解时应考虑地震动特性的影响。     

基于Pushover分析方法的体外预应力自复位框架抗震性能研究

基于Pushover分析方法,研究了体外预应力自复位框架(External Prestressed Self-centering Frame,EPSCF)结构的抗震性能。采用ABAQUS软件建立了EPSCF结构有限元模型,并与振动台试验结果进行对比,验证了模型及建模方法的可靠性和准确性;采用Pushover分析方法评定EPSCF无控及受控结构的抗震性能并对比分析其地震响应。结果表明,设置层间阻尼器的EPSCF受控结构的等效阻尼比大幅度提升,阻尼器屈服耗能是结构的主要耗能形式,在罕遇地震作用下的结构加速度和位移响应得到了有效控制,EPSCF受控结构的抗震性能优异。     

电磁调谐双质阻尼器的H2参数优化及对结构减震分析

该文在利用电磁阻尼单元代替经典型调谐质量阻尼器中的粘性阻尼单元的基础上,引入惯质单元,形成一种新型的具有结构减振和能量收集双重功能的电磁调谐双质阻尼器(electromagnetic tuned mass-inerter damper,EM-TMID)。依据达朗伯定理,建立EM-TMID与单自由度结构耦合结构受地震作用时的动力学模型。然后基于H2优化理论,即以主结构位移均方根值最小为目标函数,对EM-TMID进行参数优化,得到EM-TMID的结构频率比、电磁阻尼比和机电耦合系数的最优解析式。最后通过频域和时域两种仿真方法数值仿真分析了EM-TMID对结构的减震和能量收集的双重性能。结果表明,在频域分析中,EM-TMID的主结构位移峰值和频响面积均优于经典TMD、EM-TMD和TMDI。在时域分析中,EM-TMID对结构位移、加速度的峰值和均方根值的减震性能均优于经典TMD,同时能够进行能量收集。     

机器扰力作用下某厂房楼板竖向振动与TMD减振研究

针对某厂房主次梁式楼板在机器扰力作用下的有害振动问题,首先综合现场振动实测与动力特性、动力响应有限元分析揭示了楼板竖向振动机理,然后以楼板结构模态等效阻尼比、竖向加速度减振率与TMD行程作为楼板减振性能指标,分别给出了单一频率扰力作用下工业厂房楼板减振用TMD的设计频率、安装位置确定原则,开展了TMD的质量比与阻尼比参数化分析,最后总结建立了TMD减振优化设计流程。结果表明:单一频率机器扰力作用下厂房楼板结构呈现典型的强迫振动特征,楼板主振动频率与扰力频率相等;TMD设计频率应取为机器扰力频率,TMD宜布置在机器扰力作用位置,TMD质量比和阻尼比参数需要结合减振性能指标优化确定。     

大跨度拱形平面结构竖向TMD制振研究

本文运用复频响函数矩阵方法对大跨度平面拱形结构引入竖向TMD后在水平地震作用下的地震响应进行了详细的计算，探讨了竖向TMD的个数、频率比、阻尼比的变化对结构地震响应的影响，并比较了TMD和MTMD对结构地震响应的影响。     

地震作用下相邻结构间阻尼器的优化参数研究

对地震作用下相邻结构间连接阻尼器的优化参数理论表达式的适用性作了详细的研究,分别为粘弹性阻尼器和粘滞流体阻尼器。共有两种减震控制目标,使主结构的平均相对振动能量最小和使两相邻结构的总平均相对振动能量最小。采用虚拟激励法,研究了小震作用下结构处于线弹性状态时阻尼器的优化参数取值,详细分析了结构模态阻尼比和场地条件的变化对阻尼器优化参数的影响;采用时域和频域分析方法,研究了强震作用下结构处于弹塑性状态时阻尼器的优化参数值,并与理论值进行了对比。结果表明,结构模态阻尼比和场地条件的变化对阻尼器的优化参数影响很小;结构处于弹塑性状态时阻尼器的优化参数值与结构处于线弹性状态的取值相差不大,均与理论值比较接近,该结论对于阻尼器的优化参数理论表达式的应用非常有利。     

电磁调谐质量阻尼器的H_2参数优化及对结构减震分析

利用电磁换能器代替传统型调谐质量阻尼器中的黏性阻尼,形成一种具有结构减震与能量收集双重功能的电磁调谐质量阻尼器(electromagnetic tuned mass damper,EMTMD)。通过分析电磁换能器的动力学模型,建立了电磁调谐质量阻尼器的力学模型。将电磁调谐质量阻尼器与单自由度结构相结合,建立耦合结构受地震作用时的动力学模型。基于H2优化理论,即以主结构位移均方根值最小为目标函数,对EMTMD进行参数优化,得到EMTMD的结构频率比、电磁阻尼比和机电耦合系数的参数优化解析解。通过频域和时域两种方法数值仿真分析了EMTMD对结构减震与能量收集的性能。结果表明,在最优状态下,EMTMD对结构位移、加速度峰值和均方根的减振性能略优于经典TMD,且其能量收集的平均功率高达约4.05×105 W。     

变摩擦TMD特性和简谐激励控制效果的研究

提出一种变正压力式变摩擦装置,通过改变摩擦面正压力实现摩擦力随系统位移增大而增大。将其用于TMD能有效克服常摩擦TMD摩擦力不可变的缺点。采用一阶谐波平衡法推导了变摩擦系统的等效阻尼比和等效频率,分析了系统各参数对其等效阻尼比和等效频率的影响,通过与经典阻尼单自由度系统的比较探讨了单自由度变摩擦系统的频率响应特性。从理论和试验两个方面研究了简谐激励下变摩擦TMD对单自由度主结构振动控制的特点。分析结果表明,变摩擦TMD的频率响应特性与经典阻尼TMD类似,二者都能有效减小主结构频率响应曲线的峰值,试验结果验证了变摩擦TMD在简谐激励下的有效性     

基于Rayleigh阻尼模型的竖向混合结构设计阻尼比研究

由两种或两种以上不同材料串联组成的竖向混合结构,结构阻尼特征空间分布存在明显差异,这使得整体结构地震作用下的动力响应难以估计。对于结构初步抗震设计,特别是采用常规商用软件进行分析时,往往需要确定结构的阻尼比系数,这就需要引入等效阻尼比的概念。该文基于Rayleigh阻尼模型,推导了竖向混合结构在谐振荷载下的近似解耦位移响应误差函数,由随机地震动激励下位移响应误差最小,得到最佳等效阻尼比计算公式。将竖向混合结构等效成两自由度结构模型,每一自由度的动力特性由对应子结构的主频确定,对该两自由度模型进行不同子结构特性下最佳等效阻尼比分布和位移响应误差分析。结果表明:采用该文给出的最佳等效阻尼比,能更合理地预测结构在地震作用下的位移响应;而简单地采用单一材料结构阻尼比进行分析,可能会过高或过低估计结构耗能能力。     

地震作用下填充墙MTMD减震结构频域响应分析

将传统结构中填充墙与主体承重结构以刚度及阻尼元件连接,形成调谐质量减震（TMD）系统,通过在主结构中布置多榀TMD填充墙,构成多重质量调谐减震（MTMD）结构体系。为研究地震作用下该减震结构动力响应规律,合理设置各TMD与主结构连接件的力学参数,将主结构简化为串联多自由度模型,分析非耦合控制作用时主结构稳态响应频域传递函数及影响因素,并通过结构1/3比例模型振动台试验进行验证。结果表明,仅在三层设置填充墙TMD时,各层柱顶幅频响应曲线呈双峰特征,加速度峰值越小,填充墙TMD的调频作用越显著;而在二、三层同时设置填充墙TMD,输入地震波加速度峰值不同时,TMD调频作用亦不同。因此,填充墙TMD频域响应与T摘 要：将传统结构中填充墙与主体承重结构以刚度及阻尼元件连接,形成调谐质量减震（TMD）系统,通过在主结构中布置多榀TMD填充墙,构成多重质量调谐减震（MTMD）结构体系。为研究地震作用下该减震结构动力响应规律,合理设置各TMD与主结构连接件的力学参数,将主结构简化为串联多自由度模型,分析非耦合控制作用时主结构稳态响应频域传递函数及影响因素,并通过结构1/3比例模型振动台试验进行验证。结果表明,仅在三层设置填充墙TMD时,各层柱顶幅频响应曲线呈双峰特征,加速度峰值越小,填充墙TMD的调频作用越显著;而在二、三层同时设置填充墙TMD,输入地震波加速度峰值不同时,TMD调频作用亦不同。因此,填充墙TMD频域响应与TMD布置方式及输入地震波加速度幅值有关,结构系统调频控制作用会受输入地震波加速度峰值影响。     

TTLCD-偏心结构转化为TTMD-偏心结构的减振控制研究

针对偏心结构,研究在地震激励下,扭转调频液柱阻尼器(TTLCD)系统优化参数和对结构减振控制的模拟。首先通过比较TTLCD-结构体系和TTMD-结构体系的耦联微分方程,可将TTLCD-结构体系转化为TTMD-结构体系,从而得到TTLCD-主结构与TTMD-主结构质量比、频率比、主结构自振频率和主结构阻尼等,利用Ikeda公式对TTLCD阻尼比和频率比参数优化,并用有限元软件来对复杂结构减振控制进行数值计算。通过单层偏心结构和4层偏心放置单个或多个TTLCDs为例,用Ikeda公式求得TTLCDs参数,并用SAP2000进行结构分析,同时与MATLAB结果进行对比,验证了该方法的合理性和可行性。     

负刚度非线性能量阱减震控制性能研究

提出设置含负刚度特性的非线性能量阱（NES）来实现结构地震响应控制,针对典型的单层和双层层模型,在附加质量占主质量5%的限定条件下,对采用负刚度NES、立方NES和经典质量调谐阻尼器（TMD）控制方式的装置参数进行数值寻优,对优化的减震控制性能进行对比分析。结果表明,负刚度NES减震控制性能全面优于已有的立方NES,对主结构动力特性变化的鲁棒性优于TMD,对地震动峰值变化的鲁棒性与TMD相当。应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱分析,揭示了在地震作用过程中,负刚度NES总体上对主结构产生更为显著、更为持续的瞬时内共振俘获行为,因而其减震效率较高,且由于这种瞬时内共振俘获是在多频域上同时展开的,使其减震控制性能具有强鲁棒性。     

基于耦合系统环境振动试验的结构和TMD参数识别

为了实现TMD现场调试,提出了一种通过测试结构-TMD耦合系统的环境振动响应,识别结构模态频率、阻尼比和模态质量以及TMD的频率和阻尼比的方法。该方法通过测试环境激励下结构和TMD的响应,采用随机子空间算法,评估离散状态矩阵;将离散状态矩阵减缩和转化成单自由度结构和TMD耦合连续状态矩阵;并根据连续状态矩阵评估质量比、结构和TMD的固有频率和阻尼比。数值仿真分析结果发现:①该方法可行且识别结果精度高;②该方法适用于多模态振动结构。单层框架试验研究验证了该方法的有效性。     

超大跨斜拉桥横向地震破坏模式与损伤控制分析

地震作用下控制结构合理的破坏模式是保证其震后安全性的基础,而目前对超大跨度缆索桥梁破坏模式及其控制的研究仍显不足。以一座试设计的主跨1400m斜拉桥为例,采用弹塑性分析方法并引入地震损伤指标研究了地震作用下横向约束体系的地震损伤与破坏模式;为提高结构的整体抗倒塌能力,研究了极端地震作用下损伤控制策略对桥梁地震损伤和破坏模式的影响;在此基础上,进一步研究了主塔上横系梁刚度和耗能能力以及附加耗能构件对主塔地震损伤分布的影响。结果表明：在横向极端地震作用下,主塔上、下塔柱区段几乎同时遭受损伤,发生双塑性铰的破坏模式;附加耗能阻尼器的损伤控制策略可显著控制桥墩的地震损伤,但不能完全有效控制主塔损伤;在优化参数的基础上,若在上塔柱区段附加一定数量的耗能构件,则可合理改善主塔的破坏模式使其满足地震损伤控制目标。     

巨子型有控结构体系中附加柱的连接方式

附加柱是巨子型有控结构体系（Mega-sub controlled structural system,即MSCSS）中的必要组成部分,附加柱的连接方式对MSCSS的动力特性有较大影响。结合概率密度演化理论及切球选点方法,通过对巨子型有控结构体系在结构参数及地震激励均为随机变量情况下进行附加柱应力响应计算,得到了附加柱应力响应的概率密度演化曲面,对不同附加柱与巨型梁连接方式下的附加柱应力进行了研究。结果表明,释放附加柱的水平约束,可以有效地降低附加柱应力响应的均值及标准差,整体提高巨子型有控结构体系的抗震能力;而附加柱应力概率密度的不均匀性表明,即使巨子型有控结构体系受到平稳随机地震作用激励,其附加柱应力响应也将表现出明显的非平稳性。     

一种新型惯容减震器的设计及减震效果研究

采用TID(调谐惯容减震器)型惯容器对结构进行减震控制,推导了基底白噪声激励下安装惯容器的单自由度结构及多自由度的最优阻尼参数和最优刚度参数解析式,并给出了其相应的减震效果分析以及在多自由度结构中的应用,分析表明:考虑结构阻尼的情况下最优参数解析解仍有较高的精确性,而且阻尼比越小误差越小,精确性越高,TID的减震效果也更明显;结构自身阻尼比较大,可采用较大质量比改善其减震效果;随机地震激励下,即使隔震层阻尼比小于普通隔震的阻尼比,安装TID或TMD后,结构仍可能取得更好的减震效果,并且在同等阻尼比下,其减震效果更加显著;相对于TMD,TID安装在底层效果较好,但同样质量比的情况下,对顶层响应减震效果略差,考虑到TID具有质量放大效应,可以弥补甚至超过TMD减震效果,且可制成杆状,安装也相对方便。     

考虑结构损伤的消能减震结构能量设计方法

与基于承载力和基于位移方法相比,基于能量的抗震设计方法能够更为全面的评估结构抗震性能。该文从能量的角度提出了一种考虑主结构损伤耗能的简化抗震设计方法,将结构滞回耗能设计由阻尼器和主结构共同承担,并据此用等效阻尼比将损伤引入到主结构,通过延性系数建立了结构损伤指数与等效阻尼比之间的关系,给出了阻尼器耗能求解公式及设计流程。该方法无迭代过程,且能在设计之初实现主结构的损伤控制。算例表明,该方法简单、实用,为消能减震结构设计提供了一个新方法。     

TMD控制系统的相位及控制效果分析

推导了TMD系统的相位公式,研究了各参数对相位差及减震效果的影响。结果表明当TMD选取最优频率比与最优阻尼比时具有最优控制效果。TMD质量比的增大不仅有助于增加控制效果,而且提高了频域内的控制鲁棒性。此外,本文提出了相能原理并结合能量耗散相等的原理给出了TMD的等效阻尼比,该数值比白噪声激励下推导的等效阻尼比更加符合TMD系统的实际情况。