某高层结构风振与地震反应控制设计方案的对比分析

摘 要：针对某98.93m高层结构自身特点设计了三种减振控制方案,即方案一将阻尼器布置在结构顶部21~26层;方案二将阻尼器布置在结构中部12~14层;方案三将阻尼器布置在结构下部3~4层,并以所模拟的脉动风荷载时程及所选地震波作为动力荷载输入,对结构进行各方案下的风振和地震反应控制对比分析。结果表明,各方案下风振与地震输入能量可得到不同程度的耗散而衰减结构的风振与地震反应。在结构的风振控制方面,方案二对结构顶层加速度和侧移的最大控制效果分别达43%和44%,其总体控制效果稍优于方案一,显著优于方案三;在结构的地震控制方面,方案一与方案二对结构顶层侧移的控制效果相当,均在10%左右,方案三控制效果最小。对同时考虑风振与地震反应的高层结构控制设计,建议尽量将减振装置设置在结构的中上部楼层,以最小的投入达到最大的控制效果。     

某超高层结构三种风振控制方法的对比研究

提要 以某超高层结构的风振控制为研究对象,阐述了风荷载的动力特性,利用改进的自回归模型模拟了X和Y两个方向的脉动风荷载时程,针对该工程的自身特点提出了设置粘滞阻尼器和调频质量阻尼器(II)、设置粘滞阻尼器(III)、设置调频质量阻尼器(IV)的三种减振控制方案。在10年、50年和100年一遇三种风振作用下,对该工程进行了不同风振方向和不同控制方案下的风振控制动力分析。对比分析了不同方案下的控制效果,结果表明控制方案II、III具有大量耗散风振输入能量、有效衰减结构动力响应、降低风振作用下结构层加速度和层间侧移沿高度方向突变的能力,可减小结构顶层位移和加速度响应的最大幅度分别为33％和51.4％,证明了所提控制方案对于抑制结构风致振动、提高结构安全和舒适使用性能的可行性和有效性。最后依据分析结果对超高层结构体系风振控制的分析与设计提出了建议。     

高层建筑楼顶钢塔风振效应的参数研究

本文针对高层建筑楼顶钢塔的风振效应开展研究,采用线性滤波法模拟了结构的脉动风荷载时程,探讨了主体结构、楼顶钢塔及二者整体工作三种情况的动力特性,分析了脉动风速谱、频率比、楼顶钢塔高度和跨度等6种不同参数对结构顺风向风振动力性能的影响,并对比分析了线性和非线性粘滞阻尼器及粘弹性阻尼器三种速度相关型阻尼器对结构楼顶钢塔风振效应的控制效果。结果表明,结构楼顶钢塔设计时应避开主体结构的前三阶自振频率,以降低鞭梢效应;风荷载作用下楼顶钢塔的风振响应远大于主体结构,随基本风压和钢塔高度的增大而增大,但随钢塔跨度的增大而减小;阻尼器可有效衰减楼顶钢塔的风振响应,粘滞阻尼器对楼顶钢塔风振响应的减振效果优于粘弹性阻尼器,而非线性粘滞阻尼器的减振效果又优于线性粘滞阻尼器。     

超高结构黏滞阻尼系统风振减振优化设计方法

随着超高结构高度的不断增加,结构的自振频率与强风的卓越频率越来越接近,结构的风振舒适度问题变得愈发显著。黏滞阻尼器是一种无刚度的速度相关型阻尼器,可以有效减小结构在地震作用和风荷载下的振动响应。以反向肘节式黏滞阻尼系统为研究对象,建立了反向肘节式黏滞阻尼系统几何参数优化的数学模型,并提出了反向肘节式黏滞阻尼系统几何参数优化的方法。此外,还提出了一种超高结构黏滞阻尼系统风振减振优化设计方法,该方法可以求得在满足舒适度、阻尼器在50年一遇风下最大功率、中震最大出力约束条件下,黏滞阻尼系统的最优布置位置、数量和阻尼系数。最后以某250m超高层住宅为工程案例,验证提出的超高结构黏滞阻尼系统风振减振优化设计方法的有效性和适用性。     

模型结构的压电摩擦阻尼减振控制试验研究

在压电摩擦阻尼器力学性能试验的基础上,对一安装有压电摩擦阻尼器的模型结构进行了地震模拟振动台试验研究。利用MATLAB/Simulink软件平台和dSPACE软硬件资源,建立了压电摩擦阻尼结构控制系统的仿真模型,采用快速控制原型技术对模型结构进行了地震反应振动台试验。通过振动台试验验证了地震作用下提出的压电摩擦阻尼器和以速度响应为输入的模糊控制方法调节阻尼器控制力的有效性。试验结果表明,提出的压电摩擦阻尼器能够根据结构的响应实时调整阻尼器的摩擦力,可以有效减小模型结构在地震作用下的位移反应和加速度反应。     

滚动碰撞式调制质量阻尼器及其减振性能研究

为了将装配式结构与结构减振控制技术相结合,提出了一种可以置入空腔楼板内部空间的滚动式带碰撞调制质量阻尼器耗能减振装置(PTRMD)。该装置结合了碰撞调制质量阻尼器(PTMD)及滚动式调制质量阻尼器(TRMD)的装置特点,由质量碰撞体(小球)、弧形轨道以及弧形轨道上的黏弹性限位装置构成。具有制作方便、布置灵活、鲁棒性强等优点,且不额外占用建筑的使用空间,不影响结构使用功能,能有效解决控制装置设置与建筑功能相冲突的矛盾。建立了设有该装置受控系统的动力方程,利用解析法和一种高精度直接积分法对方程进行求解。在此基础上分别研究了PTRMD对结构在自由振动、简谐激励及地震作用下的减振性能。结果表明:该装置可以有效地减小结构的动力响应,具有很强的耗能能力。     

基于摩擦阻尼器的高耸电视塔结构风振反应被动控制

本文研究了高耸电视塔结构基于被动摩擦阻尼器的风致振动控制问题。文中建立了电视塔结构的三维有限元模型和二维等效动力分析模型。随后建立了电视塔结构的受控运动方程和风荷载模拟方法。在此基础上以合肥电视塔为背景,进行了结构风振反应控制分析和相应的参数研究。分析表明,被动摩擦阻尼器可有效地抑制结构的风振反应。通过合理地选取阻尼器参数,可以获得满意的减振效果。     

黏滞阻尼器-基础隔震混合体系优化研究

针对隔震层设置黏滞阻尼器的基础隔震结构,提出了非支配排序遗传算法-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)的黏滞阻尼器的参数多目标优化方法。采用Bouc-Wen模型模拟隔震层的力-变形行为,建立受控结构运动方程,并进行非线性时程分析,选用隔震层位移及上部结构顶部相对隔震层位移为优化目标,采用NSGA-Ⅱ遗传算法优化得Pareto最优前沿解集。以某六层基础隔震结构为例进行数值分析,通过分析隔震层振动响应的快速傅里叶变换(FFT)谱及反应谱,以及通过调整优化目标的约束条件及参数的优化范围,利用NSGA-Ⅱ算法获得了较为集中的阻尼器参数分布,然后通过其它地震波验证了黏滞阻尼器的减震效果。结果表明,优化所得阻尼器能有效减少了隔震层的位移;当优化所得阻尼器对上部结构地震响应不利时,可通过降低阻尼器的减震效果使上部结构地震响应控制在合理范围内;不同地震波作用下阻尼器减震效果存在差异,在第一周期范围内,当隔震层的激励频率趋向低频时,阻尼器对隔震层位移控制效果越好;阻尼器减震效果与隔震层的附加阻尼有关,提供过大的附加阻尼比对上部结构较高阶动力反应不利;设计者基于隔震层位移控制的阀值及缩小的阻尼器参数优化范围,可获得应用于实际工程的阻尼器参数。     

巨型框架多功能减振结构的减振效果及其影响因素

巨型框架多功能减振体系将调频质量减振、基础隔震和耗能减振的原理有机地结合起来,解决了巨型框架结构的减振问题,也为高层、超高层建筑的结构控制和减振理论开拓了思路。本文研究 了巨型框架多功能减振结构在白噪声激励下及在地震波作用下的减振系数,分析了减振装置（橡胶垫减振支座）的布置方案、减振装置的性能参数以及主框架层间参数变化对减振系数的影响,提出了巨型框架多功能减振结构中减振装置的盎原则及其性能参数的确定原则。     

广东科学中心典型区域的风振响应及风振控制

以广东科学中心典型区域为研究对象,利用AR法模拟了该结构的脉动风速时程,进行不同风压、不同风向角下的风振响应分析,给出了采用非线性粘滞阻尼器的六种风振控制方案,并对不同方案的减振效果进行了对比研究。结果表明：所提减振方案对结构的风振反应具有很好的减振效果,结构顶点位移和加速度响应的最大降幅达18%和84.9%;对此类不规则大跨结构,建议将阻尼器安装在结构两侧以取得最好的减振效果;安装粘滞阻尼器对结构加速度的控制效果优于对结构侧移的控制效果。     

粘弹性减震控制结构随机状态反应分析

利用粘弹性阻尼器进行结构的减震控制是最为常用的被动控制方法,对粘弹性减震控制结构动力反应分析中较多的研究集中于确定性的地震激励分析,然而确定性的地震激励不具有代表性.为此,本文对粘弹性减震控制结构进行了随机状态反应分析,在平稳过滤白噪声激励下建立了减震控制结构的状态方程,然后导出了减震控制结构的位移谱密度反应.通过对加有粘弹性阻尼器的八层框架结构进行实例分析,分析结果表明:具有代表性激励的随机振动方法能准确的分析粘弹性减震控制结构的动力反应,同时谱密度反应的对比结果表明粘弹性阻尼器具有优良的减震效果.     

MR阻尼器半主动控制对拉索减振效果的仿真分析

为控制斜拉索的大幅振动,在Hamilton原理基础上应用Galerkin法建立了斜拉索动力计算模型。采用基于位移和速度方向的半主动控制算法,对某大桥330m长斜拉索和MR阻尼器组成的系统进行了动力分析,以全索全时段振动响应的均方根作为振动控制效果的评价指标。磁流变阻尼器力学关系选用Spencer现象模型。比较了MR阻尼器半主动控制与被动控制对斜拉索前三阶的减振效果,对MR阻尼器耗能机理和半主动控制算法的实用性进行了探讨。同时考察了系统的共振峰频率漂移及滞回曲线形状,提出了理想的粘性可变阻尼器模型。分析表明:基于位移和速度方向半主动控制的算法简单、易于操作、安全可靠且对长索多阶振动模态亦能取得较好的减振效果,优于被动控制。MR阻尼器的制振效果主要来自耗能,调频作用较小。     

筒式粘弹性阻尼器的试验研究及工程应用

在不同环境温度、激励频率和应变幅值下,对筒式粘弹性阻尼器的动力性能指标进行了试验研究,研究表明筒式粘弹性阻尼器具有较为稳定的动力性能,耗能能力强。往复振动下阻尼器因内升温引起粘弹性材料软化,动力性能指标变化较大,设计中应考虑荷载循环次数的影响。本文通过试验研究了滞回圈数对筒式粘弹性阻尼器动态力学性能的影响,并据此提出了设计建议。本文还介绍了筒式粘弹性阻尼器的老化性能试验和疲劳性能试验,试验结果表明具有良好的老化性能,在风振或地震下阻尼器具有较好的耐疲劳性能。最后介绍了筒式粘弹性阻尼器风振控制的工程应用实例,计算表明结构悬挑端竖向位移和加速度明显减小。     

粘滞阻尼器对空间桁架结构减震作用研究

为研究粘滞阻尼器对大跨空间桁架结构减震控制作用,在某体育馆屋盖不同部位设置粘滞阻尼器,输入三向地震波进行时程分析。以屋盖结构水平向位移、加速度及构件内力为减震控制目标,计算分析表明,设置粘滞阻尼器能有效抑制结构在地震作用下响应;屋盖结构均匀布置阻尼器较集中布置减震效果好;结构减震效果不随阻尼系数的增大而线性提高,且存在较优值范围;不同地震烈度下粘滞阻尼器对空间桁架结构减震控制均有明显效果;粘滞阻尼器在不同地震波输入时滞回曲线均较饱满,呈现典型速度相关型阻尼器特征。研究结果对粘滞阻尼器用于大跨空间结构减震控制具有一定参考价值。     

基于智能阻尼器的大跨度斜拉桥多支承激励地震振动控制

以磁流变阻尼器作为控制装置,采用Clipped-Optimal控制算法,分析Benchmark斜拉桥在受到多点地震激励下的半主动控制效果;分析了同一主动控制系统在控制斜拉桥分别受到一致激励和多点激励情况下的控制效果,并与半主动控制效果进行了比较。由于磁流变液阻尼器为可控制耗能装置,并不增加受控体系的机械能,在本质上可以保证控制系统的稳定性。数值分析表明:该半主动控制策略可以取得与主动控制相当的控制效果,甚至在某些方面还超过主动控制系统,因此,磁流变阻尼器可以有效地控制受到多点激励的大跨度斜拉桥地震振动。     

粘弹铅芯阻尼器在控制输电塔风振反应中的应用

以晋东南~南阳~荆门1000kV输电线路中最常用输电塔为例,为高柔的风敏感结构,有必要对其抗风性能进行分析。以此为工程背景,采用了双层粘弹性材料和铅组合的粘弹铅芯阻尼器进行风振控制。为了不削弱塔杆,将粘弹铅芯阻尼器平行于角钢并联安装于塔杆上,对其具体构造进行了初步地设计。然后根据本工程输电塔的特点,对单塔和塔线耦合体系采用7种方案进行粘弹铅芯阻尼器的布置。编制了风速模拟程序,模拟了适用于本工程的横线向脉动风速场。采用时程分析方法,针对7种阻尼器布置方案计算了单塔和塔线耦合体系在模拟的风荷载作用下的风振响应,进行了时域内的控制效果分析。计算结果表明,所设计的控制系统达到了很好的减振效果,为将来的试验和安装提供了较为准确的理论依据。     

斜拉索MR阻尼器减振自适应控制理论研究

该文提出了基于位移反馈的MR阻尼器对拉索振动的自适应控制算法。采用非线性有限元数值仿真方法分析了在外加简谐激励强迫振动条件下MR阻尼器对拉索自适应半主动控制的效果。将半主动控制效果与MR阻尼器、粘性油阻尼器分别对拉索实施最优被动控制的效果进行了比较。研究结果表明：在相同的外激励条件下,自适应控制算法参数的最终优化值不受...     

SMA阻尼器控制单自由度结构在地震激励下的平稳随机振动研究

对安装有超弹性形状记忆合金(shapememoryalloy,简称SMA)阻尼器的单自由度结构在地震激励下的平稳随机振动进行了理论研究:假定地震地面运动是具有平稳过滤有色噪声模型的随机过程,确定了与《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)相对应的随机地震动模型参数(平稳持时和谱强度因子);建立了SMA阻尼器控制的单自由度结构在平稳地震动过程下的状态方程,并采用随机等价线性化法推导了其平稳反应公式以及基于首超破坏准则的结构动力可靠性公式;通过算例,证明了随机振动解析式是可行的,并指出SMA阻尼器能消耗地震能量,从而有效抑制结构的振动,增加结构动力可靠性。     

粘滞阻尼器对地震、列车制动和运行作用下公铁两用斜拉桥振动控制效果分析

以一公铁两用斜拉桥为背景,首先利用非线性动力时程分析方法,基于结构地震反应进行粘滞阻尼器参数敏感性分析,选取粘滞阻尼器合理参数。在此基础上,研究了列车制动和运行作用下不同塔梁连接方式对结构动力响应的影响,探索了塔梁间设置粘滞阻尼器对抑制列车制动和运行引起梁体纵向振动的效果。结果表明:塔梁间设置粘滞阻尼器不仅能有效降低结构地震反应,还可以有效抑制列车制动及运行作用下斜拉桥主梁纵向振动及改善桥塔动力响应。