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大跨空间网壳结构由于具有造型优美、刚度大、质量轻、跨越能力强等优点,目前被广泛应用于大型体育场馆、展览馆、歌剧院、候车厅等公共建筑以及大跨度厂房、停机库、车间等工业建筑,其抗震安全性问题也日益受到关注。目前,针对空间网壳结构在地震作用下的被动控制已有较多研究,但对于半主动控制与智能控制的研究则较少。而与被动耗能减振控制相比,半主动控制与智能控制更能充分体现结构振动控制思想的积极、主动与自适应的特征,具有广阔的应用前景,是空间网壳结构减震控制的一个重要发展方向。
为此,本论文基于磁流变(MR)阻尼器的智能阻尼可控特性,针对大跨空间网壳结构在多维地震激励下的振动控制相关问题进行研究,具体包括:
(1)对比分析了MR阻尼器主要工作模式和力学模型的优缺点,基于修正Bingham力学模型研究了MR阻尼器的BP式逆向神经网络模型,以有效实现位移和半主动控制力到控制电流的逆向反馈,为工程应用中的控制器终端提供决策依据;
(2)基于ANSYS通用有限元软件建立大跨空间网壳结构的数值模型,采用超单元法提取网壳结构的整体刚度、质量和阻尼矩阵,并基于MATLAB/SIMULINK仿真平台,构建了大跨空间网壳结构在多维地震激励下的MR阻尼器半主动控制数学模型和仿真系统;
(3)基于LQR经典最优算法推导网壳结构的空间主动最优控制力,然后利用限界Hrovat优化控制算法确定MR阻尼器的半主动控制力,并与修正Bingham力学模型的BP式逆向神经网络进行有效融合,实现了控制电流的实时决策,建立了大跨空间网壳结构的半主动控制策略,并通过一双层柱面网壳模型算例,验证了该控制策略在网壳结构承受多维地震激励作用时的有效性。
(4)针对典型的单层施威德勒球面网壳和单层凯威特型球面网壳进行了参数分析,涉及参数包括:地震动输入(波形和加速度峰值)、阻尼器布置方式、矢跨比和跨度,探讨了MR阻尼器在不同参数下的控制规律,给出了MR阻尼器应用于大跨空间网壳结构的设计建议。
(5)依据沿对结构基频影响最大的杆件布置MR阻尼器的寻优原则,基于ANSYS的APDL语言编制了MR阻尼器的位置寻优程序,并对单层施威德勒型网壳模型进行寻优布置,结果表明:寻优后布置方式的控制效果与其他布置方案相比,水平位移和加速度响应的控制效果较为接近,但竖向位移响应与加速度响应均有较大改善,表明该寻优原则与方法用于空间网壳结构MR阻尼器的半主动控制是可行的。