MR阻尼器的半主动控制研究

MR阻尼器能提供可以调节的阻尼力,适合用作减少结构地震响应的半主动控制器。本文对MR阻尼器的半主动控制进行研究,提出了状态跳跃算法,根据结构响应的大小实现MR阻尼器的状态切换,使结构响应得到有效的控制。这种控制策略简便,不需要在线计算,便于实施。由于速度响应直接影响MR阻尼器的阻尼力,建议用速度响应作为MR阻尼器进行状态切换的变量。文中给出了两个算例,进行了计算分析和比较,说明了状态跳跃控制算法的特点。     

MR阻尼器的半主动风振响应控制研究

利用MR阻尼器阻尼力可以调节的特性能实现对结构响应的半主动控制，直接根据结构的响应对MR阻尼器实施状态跳跃控制。本文对在风荷载作用下的MR阻尼器状态跳跃控制效果进行研究，通过单自由度和四自由度的两个数值算例进行研究，对比分析中采用了位移、速度、加速度等不同类型的控制参数、不同大小的控制参数以及不同峰值的输入脉动风压等多个相关参数，从计算结果可以发现，实施状态跳跃控制可以减少结构的风振响应，采用速度响应作为状态跳跃控制变量对于减少结构的加速度响应是有利的，可根据试算结果确定控制参数的最优值。这些结论与地震作用下的情况基本相同。     

时滞对结构振动半主动控制效果的影响

应用磁流变阻尼器对结构振动进行控制，采用最优控制原理设计了控制器，给出在地震激励下结构半主动控制的仿真计算。研究了时滞对结构振动半主动控制效果的影响。数值结果表明：本文设计的半主动控制策略可有效地减小结构的振动响应，时滞对磁流变半主动控制效果随着时滞的增大而变差，但时滞不会导致该反馈控制系统的失稳。     

MR阻尼器的状态跳跃控制参数

对MR阻尼器实施状态跳跃控制可以有效地减少结构的地震响应，状态跳跃控制参数对半主动控制效果有很大的影响。本文对状态跳跃控制的相关参数进行了研究。利用两个数值算例，对采用不同类型的控制参数(位移、速度、加速度)、控制参数的大小、输入地震动的大小等相关因素对结构地震响应的控制效果进行了对比，发现采用速度响应作为状态跳跃控制变量对于减少绝对加速度响应是有利的；建议采用试算法确定合适的速度控制参数，通过和LQG控制相联系的方法给出了该控制参数最优值的估算方法。     

结构振动的滑模变结构半主动控制

研究应用磁流变阻尼器(MRD)对结构振动半主动控制的算法和原理。研制并对磁流变阻尼器进行了阻尼特性实验，采用非线性滞回双粘性模型描述磁流变阻尼器的阻尼特性，模型结果与实验结果非常一致。采用滑模控制算法和趋近律方法设计了半主动控制器。利用滑模控制方法所建立的控制器，本文给出了地震激励下结构振动半主动控制算例。计算分析表明，半主动滑模控制具有控制效果明显、鲁棒性好等优点，是一种非常有发展前途的控制方法。     

斜拉索振动控制中MR阻尼器选型的研究

以全索全时段振动响应的均方根(RMS)评价MR阻尼器对斜拉索的减振效果。计算结果表明MR阻尼器型号是影响斜拉索减振效果的最主要因素。斜拉索的减振效果在选用合适的MR阻尼器时达到最佳。进而研究了MR阻尼器型号与阻尼器安装位置、施加的电压、斜拉索基频(张力、索长、质量)、激励荷载(类型、频率、幅值)等各种因素的关系,为MR阻尼器合理选型提供了优化设计的方法。型号选用主要是与斜拉索基频和MR阻尼器安装位置有关。在引起索基频变化的因素中,索质量对型号的选取影响最大;而索长对型号影响不大。对于索质量较大、张力较大、MR阻尼器安装位置较低、外界激励较大、频谱特征多变、低频为主时需要较强的MR阻尼器。进一步研究表明,半主动控制与开环控制的最优MR阻尼器型号有较好的一致性,因此半主动控制所选用的MR阻尼器型号可参照被动控制时最优MR阻尼器型号。     

斜拉索振动的模糊半主动控制研究

考虑拉索垂度及抗弯刚度的影响,得出了索-阻尼器系统振动偏微分方程;用中心差分法将偏微分方程在空间内离散,导出了系统的面内振动常微分方程组;提出了使用MR阻尼器(Magnetorheological Damper)作为控制设备,模糊集为基础的半主动控制算法,并运用提出的算法对索-阻尼器系统进行了振动控制分析。本文方法的优势在于算法自身的鲁棒性、处理非线性问题的能力强和不需要结构的精确数学模型,算法需要的输入变量少,可以解决实际工程中斜拉索的振动响应信息难以测量的困难。模糊算法的输出直接控制MR阻尼器的输入电压。与LQR-Clipped算法不同,MR阻尼器的输入电压可以是零与最大值之间的任意值。本文以实际斜拉桥拉索为例,分析了拉索的振动控制效果,结果表明本文提出的模糊半主动控制算法,使MR阻尼器的功能得到了更好的发挥,比MR被动控制效果好,且可以减小控制力。     

多维地震波作用下地铁车站及场地的地震反应

研究了不同类型多维地震波作用下地铁车站及软土场地的地震反应特征。以上海软土场地条件下的某双层地铁车站为背景,采用有限元方法建立了描述场地土与地铁车站结构相互作用的二维非线性力学模型,其中利用等效线性化方法模拟了土的非线性。以不同类型基岩的多维(含水平向和竖向）地震波作为输入,运用ANSYS软件数值分析了软土场地中地铁车站结构及场地的地震反应,比较了不同类型地震波作用下地铁车站结构和场地地震反应的差异．算例结果表明：在长周期地震波作用下地铁车站结构的内力响应峰值以及场地地表的加速度响应峰值和位移响应峰值均明显大于普通地震波作用下的相应值;考虑竖向地震动时双层地铁车站底层中柱的柱底轴力较单一水平向地震动作用的情形有明显增大;地铁车站的存在使结构上覆土层加速度响应峰值和位移响应峰值有所降低．     

线性粘滞阻尼耗能框架结构地震反应分析与优化

振动方程阻尼矩阵对于布置了阻尼器框架结构的振型不再具有正交性,传统的振型解耦法已不再适合于该振动方程的求解。本文采用状态方程直接积分法,研究了线性粘滞阻尼耗能框架结构的地震响应,并与SAP2000有限元软件的分析结果进行了对比,两者误差在5%以内;本文也探讨了阻尼器布置方式对框架结构地震响应的影响。结果表明:减震结构布置阻尼器的楼层,其层间位移角减小较显著;但未布置阻尼器的楼层,其层间位移角较大,甚至会出现层间位移角超过传统抗震结构相应值的现象,因此粘滞阻尼器在结构中应连续布置,不宜在结构中间断;当粘滞阻尼器在结构各楼层均匀布置时,结构各楼层最大位移反应相对传统抗震结构降低很多,约为抗震结构的20%~40%,减震效果较显著,但各楼层阻尼系数可根据均匀布置阻尼器的结构层间位移角优化;阻尼系数优化后,结构各楼层层间位移角差别减小,较为均匀。本文最后提出了线性粘滞阻尼耗能结构地震作用的实用计算方法。     

SMA阻尼器在土木结构被动控制中的运用

首先确立了SMA耗能阻尼器的力学模型，以Brinson本构关系为理论依据，基于热力学第一定律建立了耗能阻尼器的热力学非线性方程；然后，建立了在耗能阻尼器作用下的框架结构动力学非线性平衡方程及其求解方法；最后，利用文章编写的仿真软件分别对耗能阻尼器的阻尼特性和框架结构的动力响应进行了实例仿真模拟。结果表明，SMA耗能阻尼器具有明显的阻尼特性；对于结构在地震作用下的动力响应具有明显的抑制效果，结构顶层位移、速度峰值衰减率达50～60％；仿真结果与其他学者的试验结果吻合较好，表明文中所述方法的正确性与适用性。     

基于概率密度演化方法的随机MSCSS构造研究

附加柱是巨子型有控结构体系（Mega-Sub Controlled Structure System,即MSCSS）中的关键因素,为了确定MSCSS的细部构造,本文对附加柱的连接方式进行了研究。针对四种附加柱的构造方案,利用切球选点方法,确定了91个不同材料参数及地震强度的随机工况,在此基础上进行了随机巨子型有控结构体系在随机激励下的动力特性分析;基于概率密度演化理论,对各种附加柱构造情况下MSCSS的位移、加速度、附加柱应力的均值和标准差进行对比,确定了最佳的附加柱构造方案。结果表明,释放MSCSS附加柱顶端的水平约束,可以有效地降低MSCSS的加速度、位移、附加柱应力响应,使MSCSS抗震性能的优越性得到充分的发挥。本文提出的MSCSS基本构造形式可为MSCSS的进一步深入研究提供依据。     

砖石古塔模型振动台试验的离散元模拟分析

砖石古塔块体间黏结强度较低,受地震作用易产生裂缝后发生破坏,为研究砖石古塔在地震作用下开裂及裂缝发展机制,以玄奘塔1/8缩尺模型结构为对象,建立离散元模型,计算了地震波激励下结构的加速度及位移反应,与振动台试验结果进行对比,分析了塔体开裂破坏全过程。结果表明,数值计算所得结构的加速度及位移反应与振动台试验结果一致,当地震烈度较低时,两者顶层位移变化曲线基本一致;烈度提高后,塔体开裂导致结构动力响应的计算值与试验结果出现差异,但两者的变化规律相同。在地震波激励下,塔体首层先开裂,随地震烈度的提高延伸至中部塔层,块体第2层出现阶梯状错动,模型损伤过程与试验裂缝发展状况基本吻合。研究结果为砖石古塔地震损伤及破坏过程分析提供了参考。     

高效耗能摩擦阻尼钢筋混凝土框架结构减震性能分析

研究了高效耗能摩擦阻尼器的减震机理。利用力学原理，分析了地震作用下高效耗能摩擦阻尼器的摩擦阻尼力放大系数变化规律，推导了设置高效耗能摩擦阻尼器结构的等效阻尼比计算公式。在此基础上，对分别设置传统摩擦阻尼器和高效耗能摩擦阻尼器的框架结构进行了地震反应分析，结果表明，高效耗能摩擦阻尼器通过将较小的摩擦阻尼力放大可以显著降低结构地震反应，减震效果良好；利用本文给出的等效阻尼比分析得出结构顶层位移反应幅值，与阻尼等效前相应值误差不超过10%。     

粘滞阻尼器减震结构非线性随机振动的时域显式降维迭代随机模拟法

粘滞阻尼器在大型复杂结构减震设计中应用广泛。由于粘滞阻尼器的非线性阻尼力特性,粘滞阻尼器减震结构非平稳随机地震反应分析是一个典型的局部非线性随机振动问题。利用减震结构动力响应时域显式表达式的降维列式优势,仅针对与粘滞阻尼器相关的局部自由度进行非线性迭代计算,提出了局部非线性随机振动问题的时域显式降维迭代随机模拟法,为设置粘滞阻尼器的大型复杂减震结构非线性地震反应分析提供一种高效的随机振动方法。以安装了四个纵桥向粘滞阻尼器的某主跨1200m悬索桥为工程实例,开展E2水准地震激励下的非线性随机振动分析。计算结果显示,设置阻尼器后,主梁的纵桥向位移得到明显控制,降幅达到80%,大桥的关键截面内力也有5%左右的降幅。     

半主动摩擦阻尼器的模糊次优Bang-Bang控制

结合Takagi-Sugeno型模糊逻辑和次优Bang-Bang控制,提出了一种新的控制算法一模糊次优Bang-Bang方法.将该方法应用于半主动摩擦阻尼器的结构控制,对其减震效果和适应性进行了研究.数值结果表明,本文提出的方法不仅能有效地减小结构的地震响应,而且对不同强度的地震动有较强的适应能力.     

基于复模态反应谱法的MSCSS控制特性研究

巨子型结构体系(Mega-sub Controlled Structure System,即MSCSS)作为一种新型超高层建筑结构体系,由于其特殊的构造特性使得结构体系的阻尼矩阵呈现出非经典阻尼的分布特征。为准确高效地研究MSCSS的控制特性,避免强迫解耦和时程分析法所带来的误差与不足,文中基于复模态理论对非经典阻尼系统进行解耦,验证了基于复模态的CCQC法(Complex Complete Quadratic Combination)对MSCSS的适用性,采用CCQC法对MSCSS进行抗震分析。结果显示出MSCSS优于MFS(Mega Frame Structure)的抗震特性,并且MSCSS的控制特性主要体现在含有调频子结构的巨层。     

带支撑Maxwell阻尼器耗能隔震结构的随机风振响应分析

对设置带支撑Maxwell阻尼器的高层耗能隔震结构的随机风振响应进行了研究。建立结构运动方程,基于传递函数法及随机振动理论,获得结构基于Davenport谱激励下位移和阻尼器受力响应方差,并将其分解为系列标准振子的线性组合,得到结构随机风振响应的解析表达式、阻尼器受力的随机响应、等效风荷载取值,从而建立了带支撑Maxwell阻尼器高层耗能隔震结构的随机风振响应解析分析方法。算例分析表明:支撑刚度对阻尼器的减震效果有着较大的影响,以上部结构风振位移响应为例,阻尼器的支撑刚度为1倍隔震层刚度比支撑刚度为0.001倍隔震层刚度的位移响应减小了30%左右。所获得的解析解对耗能隔震结构的设计和阻尼器的参数优化设计具有重要的意义。     

控制两相邻结构地震动响应的Maxwell模型流体阻尼器优化参数研究

运用被动连接单元减小相邻结构的振动被证明是一种行之有效的手段。将两相邻结构简化为两单自由度体系,用Maxwell模型模拟连接两相邻结构的流体阻尼器,分别导出了在地面白噪声激励下主结构平均振动能量最小或两相邻结构总平均振动能量最小这两个控制目标下流体阻尼器优化参数的一般表达式,该优化参数仅与两相邻结构的相对自振频率和相对质量有关,也讨论了两相邻结构的相对自振频率和相对质量对控制效果的影响。最后,运用具有不同相对参数的三类相邻结构在El Centro 1940 NS地震波作用下时域响应的数值结果说明了这种被动优化流体阻尼器能够非常有效地减小在地震作用下两相邻结构的振动响应。     

基于放大式节点阻尼器的框架结构抗震性能研究

针对普通节点阻尼器在层间位移角较小时无法充分发挥阻尼器性能的问题,基于杠杆原理提出一种新型位移放大式节点阻尼器。首先介绍阻尼器的基本构造、工作原理并建立数值模型;然后建立含阻尼器的多尺度框架模型,开展结构静、动力弹塑性分析,探讨位移放大阻尼器与无放大阻尼器对框架结构抗震性能的影响。研究结果表明:放大式节点阻尼器耗能能力为无放大阻尼器的5.7倍;在多遇及罕遇地震作用下,相比布置无放大阻尼器的框架结构,布置放大式节点阻尼器的框架结构基底剪力响应分别减少13%、6%,层间位移角分别减少13%、11%,有效提升了结构的抗震性能。     

粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的随机响应特性

利用积分型本构关系,针对带支撑任意线性粘滞和粘弹性阻尼器单自由度耗能结构,建立了微分和积分混合地震响应方程;基于随机平均分析法,推导出耗能结构振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差、振幅动力可靠性、振幅首超时间任意阶统计矩的一般解析解;给出了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器耗能结构上述各种随机响应特性,从而建立了带支撑任意线性粘滞和粘弹性阻尼器单自由度减震结构的各种随机响应特性分析的统一解析解法。