基于阻尼連接的增強型主動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器優(yōu)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于阻巧連接的增強型主動調(diào)諧質(zhì)量阻巧器值amp based Enhanced Active I\med Mass Dampers, DEATMD)優(yōu)化設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地震是一種常見且又突發(fā)的自然災(zāi)害，至今預(yù)見性仍然很低，且分布廣泛、破壞嚴 重，一旦發(fā)生將給人類造成非常嚴重的損失。地震除了導(dǎo)致房屋破壞和倒塌、人員傷亡等直 接影響外，還會引發(fā)火災(zāi)和疾病等次生災(zāi)害，造成巨大的安全隱患和經(jīng)濟損失。我國是世界 上遭受地震災(zāi)害最嚴重的國家之一。
[0003] ±木工程結(jié)構(gòu)振動控制的研究和應(yīng)用被認為是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗震研究領(lǐng)域的重大突 破。它突破了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，即使僅依靠改變結(jié)構(gòu)自身性能例如增加結(jié)構(gòu)的剛度、阻 巧和改變質(zhì)量分布等來抵抗環(huán)境荷載（例如強風(fēng)和強震）的方法發(fā)展為由結(jié)構(gòu)一抗風(fēng)抗震 振動控制系統(tǒng)主動地控制結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)。1972年，美籍華裔學(xué)者姚治平首先系統(tǒng)地提出 了結(jié)構(gòu)主動控制概念。他建議應(yīng)用經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論，在結(jié)構(gòu)上安裝一些控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu) 在風(fēng)與地震作用下，安裝于其上的該些控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制力，能顯著降低結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。 結(jié)構(gòu)振動控制根據(jù)是否需要外界能源，一般分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控 制四類。
[0004] 結(jié)構(gòu)智能化是建筑智能化的重要組成部分。而結(jié)構(gòu)智能化最主要的是其對自然災(zāi) 害（例如強風(fēng)與強震）的防御能力。實時測量和監(jiān)控結(jié)構(gòu)的災(zāi)害響應(yīng)，探測結(jié)構(gòu)的損傷和 屈服，經(jīng)計算機在線處理的伺服系統(tǒng)自動向結(jié)構(gòu)實施控制力。結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)為現(xiàn)存抗 風(fēng)抗震能力和耐久性不足建筑物的修復(fù)和改造提供了可行的和徹底的解決方法，也為未來 建筑結(jié)構(gòu)基于性能化的抗震設(shè)計提供了可行的方法。在結(jié)構(gòu)振動控制的各分支中，質(zhì)量調(diào) 諧減振技術(shù)是一種相對成熟的技術(shù)，因其具有對控制元件要求低，可直接安裝于建筑結(jié)構(gòu)， 無需修改結(jié)構(gòu)設(shè)計就能適用于已有建筑等一系列的特點，在高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、大跨度橋 梁中獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來，質(zhì)量調(diào)諧阻巧器在國內(nèi)外一些重要建筑物上的應(yīng)用更為 廣泛。例如：上海中屯、大廈的擺式電禍流調(diào)諧質(zhì)量阻巧器；上海環(huán)球金融中屯、兩臺150噸的 風(fēng)阻巧器；臺北101大廈的擺動TMD系統(tǒng)等。
[0005] 目前建筑物上應(yīng)用較為廣泛的主要有被動調(diào)諧質(zhì)量阻巧器（TMD)和主動調(diào)諧質(zhì) 量阻巧器（ATMD)。值得注意的是，TMD只有當(dāng)其頻率被調(diào)諧至結(jié)構(gòu)受控頻率且外激勵覆蓋 該個頻率成分時才能充分發(fā)揮控制的有效性。一旦TMD發(fā)生失調(diào)，其控制有效性將明顯下 降。被動控制不需要外部能源、技術(shù)簡單、造價低、性能可靠，但減振效果有限。而在目前的 技術(shù)水平下，純主動控制由于需要不斷從外界輸入大量的能量，控制系統(tǒng)的設(shè)置技術(shù)復(fù)雜、 費用昂貴，在實際工程中的應(yīng)用受到了明顯的限制。針對該些缺陷，主動調(diào)諧質(zhì)量阻巧器 (ATMD)應(yīng)運而生。作為主動控制裝置，ATMD具有良好的控制效果，而所需能源遠小于純主 動控制裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于阻巧連接 的增強型主動調(diào)諧質(zhì)量阻巧器優(yōu)化設(shè)計方法，其能夠在保證振動控制有效性不變或略有提 高的基礎(chǔ)上，顯著地降低沖程（相對于ATMD可W減小約50% )，同時有效地控制地震作用 下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下述技術(shù)方案；一種基于阻巧連接的增強型 主動調(diào)諧質(zhì)量阻巧器優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，其包括如下步驟；
[000引步驟一，在傳統(tǒng)ATMD的基礎(chǔ)上，在ATMD質(zhì)量塊與地面之間添加一個附加阻巧器， 把附加阻巧器的阻巧記為Cii.
[0009] 步驟二，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，對結(jié)構(gòu)及主動調(diào)諧質(zhì)量阻巧器進行受力分析，建立 結(jié)構(gòu)一DEATMD系統(tǒng)的動力方程；
[0010] 步驟S，對比傳統(tǒng)的主動調(diào)諧質(zhì)量阻巧器，對基于阻巧連接的增強型主動調(diào)諧質(zhì) 量阻巧器進行振動控制的優(yōu)化設(shè)計；
[0011] 步驟四，通過參考優(yōu)化結(jié)果，考慮控制的有效性和阻巧系統(tǒng)沖程控制的有效性，選 擇最優(yōu)組合參數(shù)，參照原結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計新型基于阻巧連接的增強型主動調(diào)諧質(zhì)量阻巧 器。
[0012] 優(yōu)選地，所述步驟一中建立結(jié)構(gòu)一DEATMD系統(tǒng)的力學(xué)模型；將結(jié)構(gòu)作為一個單自 由度質(zhì)點，根據(jù)其材料特點確定其阻巧和剛度，將ATMD裝置在結(jié)構(gòu)上，再將ATMD質(zhì)量塊與 地面之間連接一個阻巧為fr,的附加阻巧；W此構(gòu)成結(jié)構(gòu)一DEATMD系統(tǒng)。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟二建立結(jié)構(gòu)一DEATMD系統(tǒng)的動力方程表示為下式：
[0017] 式中，.r,(〇為地震地面運動加速度；ys為結(jié)構(gòu)相對于基底的位移；y,為結(jié)構(gòu)相對 于基底的速度；為結(jié)構(gòu)相對于基底的加速度；yi為ATMD質(zhì)量塊相對于結(jié)構(gòu)的位移； 為ATMD質(zhì)量塊相對于結(jié)構(gòu)的速度；j'r為ATMD質(zhì)量塊相對于結(jié)構(gòu)的加速度；nis、Cs和k S分 別為結(jié)構(gòu)的受控振型質(zhì)量、阻巧和剛度；m,、句和k,分別為ATMD的質(zhì)量、阻巧和剛度；。:為 附加阻巧的剛度；UT(t)為主動控制力，采用閉環(huán)控制的形式；wr為主結(jié)構(gòu)加速度的反饋增 益系數(shù)；Ct'、At分別為ATMD速度和位移的反饋增益系數(shù)。
[0018] 優(yōu)選地，所述步驟=中對基于阻巧連接的增強型主動調(diào)諧質(zhì)量阻巧器進行振動控 制的優(yōu)化設(shè)計為如下內(nèi)容：
[0019] 結(jié)構(gòu)一DEATMD系統(tǒng)的位移動力放大系數(shù)如下式；
[002引式中：入為主結(jié)構(gòu)的頻率比審為ATMD的頻率比；C S為主結(jié)構(gòu)的阻巧比；奮1為 ATMD的阻巧比；各。為附加阻巧的阻巧比；y為ATMD與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比；a為結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化 加速度反饋增益系數(shù)。
[0024] 優(yōu)選地，所述步驟四中定義最優(yōu)參數(shù)評價準(zhǔn)則；設(shè)置基于阻巧連接的增強型主動 調(diào)諧質(zhì)量阻巧器的結(jié)構(gòu)最大動力放大系數(shù)的最小值的最小化；利用遺傳算法進行參數(shù)優(yōu) 化，并與ATMD進行比較。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實質(zhì)性特點和顯著的優(yōu)點；本發(fā)明方法 設(shè)計一種適用于所有結(jié)構(gòu)的新型基于阻巧連接的增強型主動調(diào)諧質(zhì)量阻巧器，優(yōu)越之處在 于；相對于傳統(tǒng)的ATMD，能夠在保證振動控制有效性不變或略有提高的基礎(chǔ)上，顯著地降 低沖程（相對于ATMD可W減小約50% )，同時有效地控制地震作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。
【附圖說明】
[0026] 圖1是基于阻巧連接的增強型主動調(diào)諧質(zhì)量阻巧器值EATMD)設(shè)計分析過程圖；
[0027] 圖2是基于阻巧連接的增強型主動調(diào)諧質(zhì)量阻巧器值EATMD)系統(tǒng)模型；
[002引圖3是采用遺傳算法優(yōu)化的流程圖；
[0029]圖4是a=4時，ATMD、DEATMD對應(yīng)不同的y時CMFhs隨各。變化關(guān)系曲線；
[0030] 圖5是a = 4時，ATMD、DEATMD對應(yīng)不同的y時隨各'。變化關(guān)系曲線；
[003U 圖6是a = 4時，ATMD、DEATMD對應(yīng)不同的y時各，隨備。變化關(guān)系曲線；
[003引 圖7是a = 8時，ATMD、DEATMD對應(yīng)不同的y時隨各。變化關(guān)系曲線； [003引 圖8是a = 8時，ATMD、DEATMD對應(yīng)不同的y時隨備/變化關(guān)系曲線；
[0034] 圖9是a= 8時，ATMD、DEATMD對應(yīng)不同的y時每隨爲(wèi)變化關(guān)系曲線；
[003引 圖10是a = 4時，ATMD、DEATMD對應(yīng)不同的y時OM/古^隨備。變化關(guān)系曲線；
[0036] 圖11是a = 8時，ATMD、DEATMD對應(yīng)不同的y時OMFw,隨毎變化關(guān)系曲線。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施例作進一步的說明。
[003引如圖1所示，本發(fā)明基于阻巧連接的增強型主動調(diào)諧質(zhì)量阻巧器優(yōu)化設(shè)計方法包 括如下步驟：
[0039] 步驟一，在傳統(tǒng)ATMD的基礎(chǔ)上，在ATMD質(zhì)量塊與地面之間添加一個附加阻巧器， 把附加阻巧器的阻巧記為Cr,。然后建立結(jié)構(gòu)一DEATMD系統(tǒng)的力學(xué)模型；
[0040] 步驟二，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，對