基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器優(yōu)化設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器（Stiffnessbaseddouble tunedmassdampers，SDTMD)優(yōu)化設計方法。
【背景技術】
[0002] 地震作為嚴重威脅人類生命財產安全的自然災害，給人類造成了巨大的災害，是 眾多地震多發(fā)國之一，例如近幾年來發(fā)生的汶川地震、日本地震、雅安地震。這些大地震不 僅造成了重大的經濟損失，還給人們帶來了巨大的悲痛和嚴重的心里傷害。21世紀，隨著世 界經濟的高速發(fā)展，人們對工程結構的安全性和防災性提出了越來越高的要求，要求工程 結構在自然災害（例如強震和臺風）突發(fā)時能不被破壞，而且要求工程結構在其作用下能 夠無受損傷。于是我們對工程結構的防災減災提出了一些革命性的要求，而結構振動控制 技術有望是實現這一防災減災革命性要求的根本途徑。傳統(tǒng)的結構抗震設計一般是通過增 強建筑結構自身的強度與剛度來抵抗外荷載的作用，從而達到抗震的效果。所以我們在進 行抗震設計時，首先需要準確估計結構所要承受的外部荷載、把握所用材料的特性，并且需 要選擇合理的設計及分析方法。但是地震荷載的高度不確定性、材料的非線性和使用時性 能的變異以及現有結構分析和設計方法的局限性使得結構存在不滿足使用功能和安全的 要求的可能性?？紤]到傳統(tǒng)結構抗震設計方法的局限性，業(yè)界學者們開始對此不斷探求新 的方法，結構振動控制的設計方法就是在這種情況下產生并發(fā)展的。
[0003] 結構振動控制是通過采取一定的控制措施以調整建筑結構自身的動力特性或是 通過施加外部能量來抵消外荷載作用，從而達到抗震減災性能。根據是否需要外界能源， 結構控制一般可分為以下四類：（1)被動控制系統(tǒng)，一種不需要外部能源的結構控制技術， 一般是指在結構的某個部位附加一個子系統(tǒng)，或對結構自身的某些構件做構造上的處理以 改變結構體系的動力特性（如，調諧質量阻尼器（TMD)和多重調諧質量阻尼器（MTMD)); (2)主動控制系統(tǒng)，一種需要外部能源的結構控制技術，通過施加與振動方向相反的控制力 來實現結構控制，控制力由前饋外激勵和（或）反饋結構的動力響應決定；（3)半主動控 制系統(tǒng)，一般以被動控制為主，當結構動力反應開始越限時，利用控制機構來主動調節(jié)結構 內部的參數，使結構參數處于最優(yōu)狀態(tài)，所需的外部能量較??；(4)混合控制系統(tǒng)，主動控 制和被動控制的聯合應用，使其協調起來共同工作，這種控制系統(tǒng)充分利用了被動控制與 主動控制各自的優(yōu)點，既可以通過被動控制系統(tǒng)大量耗散振動能量，又可以利用主動控制 系統(tǒng)來保證控制效果，例如主被動調諧質量阻尼器（active-passivetunedmassdamper， APTMD)〇

【發(fā)明內容】

[0004] 針對現有技術存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于連接剛度的雙層調諧質 量阻尼器（SDTMD)優(yōu)化設計方法
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明采用如下述技術方案：
[0006] -種基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器優(yōu)化設計方法，其特征在于：操作步驟 如下：
[0007] 1)建立結構一基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器SDTMD系統(tǒng)力學模型：由結構 自身的質量ms、阻尼cs和剛度ks，在單個調諧質量阻尼器TMD的基礎上又串聯增加一個小 質量塊，在結構質量塊與小質量塊之間添加一個附加彈簧。然后建立結構一基于連接剛度 的雙層調諧質量阻尼器SDTMD系統(tǒng)的力學模型；
[0008] 2)建立結構一基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器SDTMD系統(tǒng)動力學方程：根據 結構動力學原理，對結構及第一個調諧質量阻尼器TMD1、第二個調諧質量阻尼器TMD2進行 受力分析，建立結構一基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器SDTMD系統(tǒng)方程；
[0009] 3)對基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器SDTMD進行參數優(yōu)化計算；
[0010] 4)設計出優(yōu)化的基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器SDTMD:通過比較，選取最 優(yōu)組合參數，設計出優(yōu)化的基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器，用于對結構進行振動控 制。
[0011] 所述步驟1)中建立結構一SDTMD系統(tǒng)的力學模型：將結構作為一個單自由度質 點，根據其材料特點確定其阻尼cs和剛度ks，將TMD1裝置在結構上，再將TMD2裝置在TMD1 上，在TMD2與結構之間添加一個剛度為匕的附加彈簧；以此構成結構一SDTMD系統(tǒng)。
[0012] 所述步驟2)中建立結構一SDTMD系統(tǒng)的動力方程：分別對結構、TMD1、TMD2進行 受力分析，根據結構動力學理論，列出其系統(tǒng)方程為：
[0013]
[0014]
[0015]
[0016] 式中，&(〇為地震地面運動加速度；ys為結構相對于基底的位移；yTSTMDl(即大 質量塊）相對于結構的位移；yt為TMD2 (即小質量塊）相對于結構的位移；ms、cJPk3分別 為結構的受控振型質量、阻尼和剛度；％、(^和kT分別為TMD1質量、阻尼和剛度；mt、ct和kt 分別為TMD2質量、阻尼和剛度；匕為附加彈簧的剛度。
[0017] 所述步驟3)中對基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器進行參數優(yōu)化設計為：
[0018] 結構一SDTMD系統(tǒng)的位移（ys)動力放大系數：
[0019]
[0020]TMD1沖程（yT)的動力放大系數為：
[0021]
[0022]TMD2沖程（yt)的動力放大系數為：
[0045] 式中：A為主結構的頻率比；心為TMD1的頻率比；f,為TMD2的頻率比；為附加 彈簧的頻率比；Is為主結構的阻尼比；I:為TMD1的阻尼比；| ,為TMD2的阻尼比；y:為 TMD1與結構的質量比；yt為TMD2與結構的質量比；n為TMD2與TMD1的質量比。
[0046] 優(yōu)化過程中，根據實際工程，設定A、yT、q的值，對fT、ft、4、| T、| t進行參數 優(yōu)化。
[0047] 所述步驟4)通過比較選取最優(yōu)組合參數，設計出優(yōu)化的SDTMD:定義最優(yōu)參數評 價準則：設置基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器的結構最大動力放大系數的最小值的最 小化，即〃〃、越小，則裝置振動控制有效性就約佳； 利用基因遺傳算法進行參數優(yōu)化，并與TMD、DTMD、DDTMD進行比較。
[0048]與現有技術相比，本發(fā)明具有如下突出的實質性特點和顯著的優(yōu)點：
[0049] 本發(fā)明方法設計一種適用于所有結構的新型基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼 器，優(yōu)越之處在于能夠有效地控制地震作用下結構的位移響應，且優(yōu)于TMD、DTMD、DDTMD。
【附圖說明】
[0050] 圖1是基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器（SDTMD)優(yōu)化設計方法程序框圖。
[0051] 圖2是基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器（SDTMD)系統(tǒng)模型結構示意圖。
[0052] 圖3是TMD、DTMD、SDTMD的fT隨n變化關系曲線圖。
[0053] 圖4是DTMD、SDTMD的ft隨n變化關系曲線圖。
[0054] 圖5是SDTMD的&隨n變化關系曲線圖。
[0055] 圖6是TMD、DTMD、SDTMD的17隨n變化關系曲線圖。
[0056] 圖7是DTMD、SDTMD的|滿n變化關系曲線圖。
[0057] 圖8是TMD、DTMD、DDTMD、SDTMD的m巧/s隨n變化關系曲線圖。
[0058] 圖9是TMD、DTMD、SDTMD的隨n變化關系曲線圖。
[0059] 圖10是DTMD、基SDTMD的DM?%隨q變化關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0060] 下面結合附圖，對本發(fā)明的具體實施例作詳細說明。
[0061] 實施例一：
[0062] 如圖1所示，本基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器優(yōu)化設計方法，包括如下步 驟：
[0063] 1)建立結構一基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器SDTMD系統(tǒng)力學模型：由結構 自身的質量ms、阻尼cs和剛度ks，在單個調諧質量阻尼器TMD的基礎上又串聯增加一個小 質量塊，在結構質量塊與小質量塊之間添加一個附加彈簧。然后建立結構一基于連接剛度 的雙層調諧質量阻尼器SDTMD系統(tǒng)的力學模型；
[0064] 2)建立結構一基于連接剛度的雙層調諧質量阻尼器SDTMD系統(tǒng)動力學方程：根據 結構動力學原理，對結構及第一個調諧質量阻尼器TMD1、第二個調諧質量阻尼器TMD2進行 受力分析，建立