摇摆双调谐质量阻尼器参数优化及动力性能研究

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建筑结构在地震、强风作用下存在着破坏的风险,因此振动控制理论被引入到建筑结构抗震、抗风领域中,旨在达到结构的防灾减灾要求。在结构振动控制领域中调谐质量阻尼器因其构造简单、成本低廉而被广泛应用在建筑结构当中。为了进一步提高调谐质量阻尼器的减振性能,本文基于双重调谐质量阻尼器中两个质量块相互作用从而提高阻尼器减振性能的思想,提出了一种减振频带更宽的摇摆双调谐质量阻尼器,并对其减振机理、系统参数和鲁棒性等方面进行了理论分析和数值模拟,主要研究工作如下:(1)在对摇摆双调谐质量阻尼器的参数优化策略研究中分析了定点理论的适用性,并借鉴定点理论的思想确定了参数优化的目标函数;研究了遗传算法、粒子群算法、人工蜂群算法和穷举法等数值寻优方法,并利用MATLAB编程比较了各个寻优方法的优劣。分析结果表明,采用穷举法作为摇摆双调谐质量阻尼器的数值寻优方法可以获得较为精确的优化结果。(2)建立了摇摆双调谐质量阻尼器控制系统的动力方程,并推导得到了其动力放大系数表达式,基于前文得到的摇摆双调谐质量阻尼器参数优化策略,编译参数优化程序获得该阻尼器的全局最优参数,并在最优参数的基础上得到了其条件最优参数,分析了各个参数对阻尼器减振性能的影响,并对影响摇摆双调谐质量阻尼器控制系统鲁棒性的关键参数做了分析。分析结果表明,采用摇摆双调谐质量阻尼器对结构进行控制可有效降低主结构的动力响应,并且减振系统的鲁棒性方面也表现良好。(3)分析了不同种类结构下摇摆双调谐质量阻尼器质量比对阻尼器减振性能的影响,并对比了在不同结构下阻尼器质量比对减振性能的影响大小;在不同种类结构下对比了摇摆双调谐质量阻尼器与传统质量阻尼器的减振效果,并从阻尼器阻尼系数和主结构固有频率变动两方面对比了摇摆双调谐质量阻尼器与传统质量阻尼器的鲁棒性。分析结果表明,在一定范围内质量比越大,摇摆双调谐质量阻尼器对钢结构和混凝土结构的减振效果越好,其中质量比数值的改变对钢结构的影响要明显大于对混凝土结构的影响;无论在钢结构还是在混凝土结构当中,摇摆双调谐质量阻尼器减振效果及鲁棒性均要优于传统质量阻尼器。(4)建立了一个单自由度结构,利用MATLAB仿真分析对比了无控结构、调谐质量阻尼器控制的结构、摇摆双调谐质量阻尼器控制的结构在不同种类和不同强度地震作用下的响应。分析结果表明,对于不同种类和强度的地震波,调谐质量阻尼器和摇摆双调谐质量阻尼器均能显著减小结构的地震响应,其中摇摆双调谐质量阻尼器在不同种类和强度地震波作用下对结构地震响应的控制效果均要显著优于调谐质量阻尼器的控制效果。
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