三相邻结构优化控制及减震性能研究

作     者：李仕浩 

作者单位：宁夏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张尚荣

授予年度：2023年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：三相邻结构 优化控制 动力分析 同频控制 振动能量 

摘      要：减震技术应用到建筑结构可显著提高结构体系的抗震安全,因此探究相邻结构在地震作用下的结构响应对于城市建筑抗震韧性的提升具有重要意义。目前,两相邻结构体系的减震控制理论已较为成熟,但是对于两结构同频共振问题尚未得到较好解决。通常在实际工程中,常常会出现需要控制多个相邻结构的情况,继续采用两相邻结构控制方案显然已不适合,对于多个相邻结构减震控制策略的需求强烈。多个相邻结构间连接阻尼器的参数、位置和数量对于减震效果有着重大影响,当设计不合理时,同频共振的局限性仍然存在。基于此,本文提出一种三相邻结构的减震控制策略,对结构体系的控制效果和能量流动及分配进行分析,并深入探究影响三相邻结构减震控制体系控制效果的相关因素。具体研究如下:(1)建立了三相邻结构的单自由度模型和多自由度层剪切模型,采用Kelvin型阻尼器连接三个相邻结构,基于达朗贝尔原理构建三相邻结构在地震作用下的动力平衡方程。对于结构体系的时程响应和随机响应,选取状态空间法、Lyapunov方程和复模态法等进行响应求解,进而为后续章节的研究分析提供依据。(2)考虑到阻尼器价格和空间限制等实际工程情况,使用少量阻尼器提供更优的控制性能是研究人员的研究诉求。对于阻尼器参数优化,选用快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),基于特定结构参数优化得到的阻尼器设定参数表现出良好控制效果。对于阻尼器数量及位置优化,采用改进遗传算法,获取适于阻尼器的优化布置。根据不同布置方案的对比研究表明:三相邻结构减震控制体系均具有良好的控制效果,且阻尼器均匀布置时效果最佳。(3)结合单自由度模型和多自由度模型,分析了单自由度模型在结构参数选取不同组合时阻尼器参数存在最优解的情况,尤其是两结构同频的情况;以控制后与控制前的结构能量均方差比值为优化目标函数,得到多自由度模型的最优阻尼参数。研究表明,阻尼器优化后对三相邻结构体系的减震控制贡献较大,能有效地抑制结构响应峰值并降低结构响应。相比于两相邻结构同频共振导致结构控制失效的情况,在三相邻控制情况下可以得到缓解。(4)引入功率流理论,结合三相邻结构模型推导出结构体系的功率方程,以功率流为指标对三相邻结构体系的能量分配及流动展开研究。对未连接阻尼器的单体结构研究发现,输入到结构的功率流随着楼层的增高而增大;当结构的刚度和阻尼比增大时,则可以显著降低输入到结构的能量。考虑连接阻尼器的参数优化,输入到结构体系的功率流显著降低,表明阻尼器对三相邻结构具有良好的耗能减震作用。通过给定的结构参数组合及阻尼器参数组合,研究了参数变化对结构及阻尼器功率流的影响规律,结果表明结构刚度和阻尼比的增大可提高结构抗震安全度,阻尼器采用最优参数后可获得最佳减震效果。