【摘 要】
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地震作为一种破坏性较强的自然灾害,强震会对建筑结构稳定性带来很大的威胁。近几年,建筑结构变得复杂和不规则,主要是因为在社会发展的大背景下,对于建筑结构的功能有了更多的要求。相比于传统的规则结构,这类结构在设计方面更为复杂,面对外部激励时的反应也更为剧烈。可以通过提高不规则结构的抗震性能来降低这类反应。近年来,高层建筑的发展非常迅速,出现了大量的竖向不规则结构。之前多采用橡胶垫隔震方式来提高结构的抗
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地震作为一种破坏性较强的自然灾害,强震会对建筑结构稳定性带来很大的威胁。近几年,建筑结构变得复杂和不规则,主要是因为在社会发展的大背景下,对于建筑结构的功能有了更多的要求。相比于传统的规则结构,这类结构在设计方面更为复杂,面对外部激励时的反应也更为剧烈。可以通过提高不规则结构的抗震性能来降低这类反应。近年来,高层建筑的发展非常迅速,出现了大量的竖向不规则结构。之前多采用橡胶垫隔震方式来提高结构的抗震性能,而近几年随着结构振动控制理论的快速发展,出现了越来越多的控制手段来提升竖向不规则结构的抗震性能。对于竖向不规则结构而言,其层高的变化或建筑体型的改变会在结构中产生薄弱层。薄弱层位置因其结构特点,在面对地震荷载时,稳定性较易受到影响,进而降低结构的整体稳定。提升薄弱层的稳定性对于结构整体稳定而言意义重大。本文主要采用了阻尼器这一外部结构来提升结构的整体稳定性,其中,调谐液柱阻尼器(Tuned Liquid Column Damper,TLCD)具有安装便捷,功能丰富等特点,将其安装在结构顶层,既可以起到抗震作用,又可以充当建筑备用水源。新型电磁惯性质量阻尼器(Electromagnet ic Inertial Mass Damper,EIMD)作为本文使用的第二类阻尼器,它将电磁阻尼器的设计理念和惯性质量阻尼器的二者进行结合,其优势为重量轻、体积较小、出力较大、安装方便。两种阻尼器搭配使用,形成混合抗震体系,为结构带来更好的控震效果。阻尼器满布会增加经济压力,为使控制效果更为理想,引入遗传算法,改变阻尼器的布置位置和数量。之后引入半主动控制策略,可以满足在输入少量外部能量的时候,控制效果得到提升,经济成本有所降低。本文选用两种典型带有薄弱层的竖向不规则结构模型,基于TLCD-EIMD混合装置方案,研究了该类结构体系地震作用下的动力特性,并提出了相应的控震方法,完成的主要工作如下:(1)利用大型通用有限元软件建立两种典型带有薄弱层的竖向不规则结构模型,基于结构动力学原理建立地震作用下该类结构体系的动力学方程,得到该类体系在无控状态下的动力响应。其中模型二考虑了结构的扭转效应影响,仿真研究结果表明与其他层相比,薄弱层产生过大的动力响应。(2)将调谐液柱阻尼器(TLCD)和新型惯性质量阻尼器(EIMD)引入。分别介绍其工作原理、功能特点并基于其力学模型建立两类竖向不规则结构在地震作用下的运动方程。分别研究地震作用下TLCD-结构被动控震性能和结构TLCD-EIMD混合装置的被动控震性能。仿真结果表明,对结构施加被动控制时,对于薄弱层而言,混合装置的减震率比TLCD单一装置高出30%左右。(3)遗传算法可以用来求解较为复杂的系统优化问题,面对不同问题时均有较好的鲁棒性。在被动控制时,引入遗传算法来对两种阻尼器的参数和数量位置进行优化。其中对TLCD的使用参数进行优化,与模型实际情况相结合,得到最适合的阻尼器参数。而对于EIMD,则是位置和数量的优化。考虑到在结构中安装过多的阻尼器是不经济的,因此对新型惯性质量阻尼器的安置数量和位置进行优化,降低阻尼器逐层满布带来的经济成本和额外荷载。结果表明,当对混合体系进行优化之后,相比于随机布置,结构的减震率得到进一步的提升。(4)针对被动控制装置在满足竖向不规则结构体系控震性能方面的不足,可以通过改变EIMD外接电阻值来将其作为一种半主动控制装置,提出了基于LQR控制算法的TLCD-EIMD竖向不规则结构体系半主动控制方法。通过两类模型结构在无控状态,优化控制状态,LQR半主动控制状态下的位移、加速度等数值的对比。体现出所提半主动控制策略的可行性以及有效性。(5)在实际工程中,往往面临着结构过于复杂情况,难以得到准确的结构计算模型。神经网络具有自适应学习能力和集体运算能力,且兼具较强的容错性和鲁棒性,可以减轻因为结构复杂,计算模型不准确带来的困扰。因此提出一种基于模糊神经网络算法的TLCD-EIMD竖向不规则结构半主动控制方法,仿真结果表明所提控制方法能够有效控制结构峰值响应,且使控制系统具有较好的鲁棒性。
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