基于惯容器的调谐阻尼器对于基础隔震结构的性能控制研究

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本文主要针对传统TMD减震方案中质量块数量多、行程长的不足,提出一种基于惯容的调谐阻尼器的解决方案。即是用惯容器设法替换传统耗能装置中体积巨大、行程较长的质量块,而惯容器、弹簧、阻尼器元件三者通过不同的串并联可组成TID、TVMD、TID三种惯容体系。这种基于惯容的新型减震体系正在成为土木工程结构控制研究领域新方向。在研究基于惯容的新型调谐阻尼器的减振(震)性能过程中,本文采用了理论推导、数值模拟、时程分析等方法,通过对比分析TID、TVMD、TID三种惯容体系对于基础隔震结构抗震性能的影响,最终得到结论:综合起来,TID(调谐惯容阻尼器)抗震性能最为优越。章节2通过运用地震动时程分析的方法,对附加(离合)惯容器的基础隔震结构的反应位移峰值以及反应位移累积量进行分析,探究基础隔震结构附加惯容器的抗震性能并得出结论:1、惯容器和离合惯容器均能降低隔震层的位移反应,并且离合惯容器有更好的效果。2、惯-质比系数?的值越大,隔震层的位移反应降低得越多。3、对于上部结构的位移反应,仅在频率较低的地震动下有所降低,且在近场地震动下的降低得比在远场地震动下多,而当惯容质量比系数?超过一定的值后上部结构的位移反应会增大。4、相比于反应位移峰值,反应位移累积量的降低更明显。章节3以一个两自由度基础隔震结构为基本体系,在结构隔震层上附加了ISD、TID、TVMD,组成了一个三自由度结构力学模型并对此进行参数研究。在给定基本参数下,比较了几种三种惯容体系对模型上部结构加速度的控制效果,发现了在合理控制范围内TID对上部结构加速度的限制最优。在此基础上,将参数惯容质量比rZ,opt作为自变量,分别以模型隔震层水平位移、上部结构水平位移和上部结构加速度为目标函数,利用Matlab内置非线性优化函数fmincon求解最优的组合参数(βopt ,λD,opt),最终获得单目标下的参数最优解(rZ,opt,βopt ,λD,opt)。发现在以隔震层水平位移为目标函数时,附加TVMD的基础隔震结构模型表现最优,并且发现TVMD惯容质量比rZ,opt作用微乎其微,因此可根据实际情况灵活选取。而在以上部结构水平位移和上部结构加速度为目标函数时,附加TID的基础隔震结构模型表现好于ISD,远好于TVMD,在此情况下,TID的最优参数解(rZ,opt,βopt ,λD,opt)皆为(0.17,0.20,0.06)。章节4运用基于性能需求的优化方法,根据性能需求预先确定隔震层水平位移反应的目标值作为约束条件,对上部结构绝对加速度反应进行最小值优化,即将多目标优化转化为一种有约束的单目标优化问题。结果发现了在规定的优化准则之下,ISD和TVMD会发生体系的变动。尤其是ISD,在基本的控制目标之下,即隔震层水平位移折减系数α﹤0.8,ISD的惯容-弹簧-阻尼串联体系根本就是不存在的,其刚度元件会退化,导致其体系变成惯容-阻尼串联体系,而当折减系数进一步缩小至α﹤0.472后,惯容元件也会退化,导致ISD体系变成一个单一的阻尼器元件,即LVD。而对于TVMD,当α﹤0.553时,刚度元件会退化,TVMD体系此时变成惯容-阻尼并联的一个体系。从而再次证明了TID对于结构振动控制的优越性。在此基础上,求得折减系数α=0.677时,上部结构的最优加速度取得最小值,(?)=0.712,且相应的(rZ,opt,βopt ,λD,opt=(0.83,0.39,0.35)。
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