被动减振控制结构基于Davenport谱风振响应、优化和风荷载取值分析
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摘要
随着科学技术的进步和社会的发展,高层建筑和高耸结构不断的出现,并向着高强轻质的方向发展,结构的刚度和阻尼在不断的下降。作为高层建筑和高耸结构主要荷载的风,对结构的影响也在加大。通过风振控制技术,能够有效地减小结构的风振响应,提高结构的可靠性以及满足舒适度的要求,减少风灾造成的损失。
目前,许多类型的被动控制装置均应用于工程实际。由于这些结构体系在风荷载作用下动力方程中的阻尼矩阵为非经典情形,甚至质量和刚度矩阵是非对称的,传统的实模态分析方法(振型分解法)不能使动力方程解耦,因此本文运用复模态分析方法分析了上述结构随机风载响应、优化设计和等效风荷载取值。主要内容如下:
1.对于需考虑单个振型的结构,在进行随机风振响应分析中,分别建立了带五种被动减振器、基础隔震、粘弹性阻尼器和悬吊摆的高层建筑和高耸结构的振动方程,运用复模态方法对结构风振的运动微分方程进行解耦,获得结构随机风振响应的解析解;对于带上述被动控制结构,考虑其多个振型的风振响应分析,运用复模态方法,获得结构随机风振响应的计算表达式。
2.对于单振型的带五种被动减振器被动控制结构,在以结构反应、控制装置反应动力可靠性约束及控制装置参数约束条件下,以结构的平均最大风振位移作为目标函数,使其极小,利用复形法对被动控制参数进行优化优化设计,建立了基于动力可靠性约束的结构风振控制优化设计方法。
3.对于新型振动控制结构巨—子结构,进行随机风振响应分析,列出了振动方程,对主体结构按多振型展开,对子结构按单振型展开,运用复模态理论对结构风振的运动微分方程进行解耦,获得了该类型结构随机风振响应的计算表达式。
4.对于存在耦合的高耸结构,如大跨度输电塔,进行随机风振响应分析,列出了振动方程,运用复模态理论对结构风振的运动微分方程进行解耦,获得了该类型结构随机风振响应的计算表达式。
With the advance of science and the development of society,more and more tall buildings appeared,and are developing toward the direction of high strength and light mass.The stiffness and damping of structures are declining. The effect of the wind,as the main load to the tall buildings,to the structures is aggravating.Through the way of control of wind-induced vibration,the wind-induced response of structures is reduced effectively,the reliability is improved and comfort requirement is satisfied.Wind-induced damage is reduced.
At present,many sorts of passive control devices are gradually applying in the engeering projects.Because of the damping matrixes of all of these structures'motion equations are non-classical,even the mass and stiffness matrixes of them are non-symmetry,so the dynamic equation can't be decoupled by the traditional real-mcode analysis(the mode-superposition method).Though, in this thesis the complex-mode analysis is used to solve the stationary random wind response、optimum design and wind action calculation of structures.The thesis includes the following content:
1、With regard to the first mode or mutli-modes of the tall buildings or high-rise structures with five sorts of passive dampers or base-isolated device or viscoelastic damper or suspanded pendulum,using the complex-mode analysis, the wind responses of the above structures are got base on Davenport spectrum.
2、On the basis of the above analytic expressions,taking the isolation or seismic decrease coefficient(the ratio of the standard deviation of the response of structures)as the optimal objective function,under the constraint of dynamic reliability of the isolated equipment based on the type of Poisson,the optimal design parameters of isolated equipment are got.
3、With regard to mega subconfiguration structure considered as a new kind of passive controlled device,the oscillation equations of all the struture are established,and the equations of the main structure are expanded according to its multi modes and the equations of the subconfiguration are expanded according to its first mode;using the complex-mode analysis and random wind response theories,the wind responses of the structures are got base on Davenport spectrum.
4、With regard to oupled tall building such as long-span transmission tower the oscillation equations of it are established,using the complex-mode analysis and random wind response theories,the wind responses of the structures are got base on Davenport spectrum.
目前,许多类型的被动控制装置均应用于工程实际。由于这些结构体系在风荷载作用下动力方程中的阻尼矩阵为非经典情形,甚至质量和刚度矩阵是非对称的,传统的实模态分析方法(振型分解法)不能使动力方程解耦,因此本文运用复模态分析方法分析了上述结构随机风载响应、优化设计和等效风荷载取值。主要内容如下:
1.对于需考虑单个振型的结构,在进行随机风振响应分析中,分别建立了带五种被动减振器、基础隔震、粘弹性阻尼器和悬吊摆的高层建筑和高耸结构的振动方程,运用复模态方法对结构风振的运动微分方程进行解耦,获得结构随机风振响应的解析解;对于带上述被动控制结构,考虑其多个振型的风振响应分析,运用复模态方法,获得结构随机风振响应的计算表达式。
2.对于单振型的带五种被动减振器被动控制结构,在以结构反应、控制装置反应动力可靠性约束及控制装置参数约束条件下,以结构的平均最大风振位移作为目标函数,使其极小,利用复形法对被动控制参数进行优化优化设计,建立了基于动力可靠性约束的结构风振控制优化设计方法。
3.对于新型振动控制结构巨—子结构,进行随机风振响应分析,列出了振动方程,对主体结构按多振型展开,对子结构按单振型展开,运用复模态理论对结构风振的运动微分方程进行解耦,获得了该类型结构随机风振响应的计算表达式。
4.对于存在耦合的高耸结构,如大跨度输电塔,进行随机风振响应分析,列出了振动方程,运用复模态理论对结构风振的运动微分方程进行解耦,获得了该类型结构随机风振响应的计算表达式。
With the advance of science and the development of society,more and more tall buildings appeared,and are developing toward the direction of high strength and light mass.The stiffness and damping of structures are declining. The effect of the wind,as the main load to the tall buildings,to the structures is aggravating.Through the way of control of wind-induced vibration,the wind-induced response of structures is reduced effectively,the reliability is improved and comfort requirement is satisfied.Wind-induced damage is reduced.
At present,many sorts of passive control devices are gradually applying in the engeering projects.Because of the damping matrixes of all of these structures'motion equations are non-classical,even the mass and stiffness matrixes of them are non-symmetry,so the dynamic equation can't be decoupled by the traditional real-mcode analysis(the mode-superposition method).Though, in this thesis the complex-mode analysis is used to solve the stationary random wind response、optimum design and wind action calculation of structures.The thesis includes the following content:
1、With regard to the first mode or mutli-modes of the tall buildings or high-rise structures with five sorts of passive dampers or base-isolated device or viscoelastic damper or suspanded pendulum,using the complex-mode analysis, the wind responses of the above structures are got base on Davenport spectrum.
2、On the basis of the above analytic expressions,taking the isolation or seismic decrease coefficient(the ratio of the standard deviation of the response of structures)as the optimal objective function,under the constraint of dynamic reliability of the isolated equipment based on the type of Poisson,the optimal design parameters of isolated equipment are got.
3、With regard to mega subconfiguration structure considered as a new kind of passive controlled device,the oscillation equations of all the struture are established,and the equations of the main structure are expanded according to its multi modes and the equations of the subconfiguration are expanded according to its first mode;using the complex-mode analysis and random wind response theories,the wind responses of the structures are got base on Davenport spectrum.
4、With regard to oupled tall building such as long-span transmission tower the oscillation equations of it are established,using the complex-mode analysis and random wind response theories,the wind responses of the structures are got base on Davenport spectrum.
引文
[1]瞿伟廉,高层建筑和高耸结构的风振控制设计,武汉测绘科技大学出版社,武汉,1991;
[2]黄本才,结构抗风分析原理及应用,同济大学出版社,上海,2001;
[3]陈政清,桥梁风工程,人民交通出版社,北京,2003;
[4]张相庭,工程抗风设计计算手册,中国建筑工业出版社,北京,1998;
[5]胡卫兵,何建,高层建筑与高耸结构抗风控制,中国建材工业出版社,北京,2003;
[6]李创第,线性与非线性随机过程结构时变可靠度理论及其在高层建筑玻璃幕墒非线性抗风抗震设计中的应用,武汉工业大学博士论文,武汉,1999;
[7]李桂青,曹宏,李秋胜,霍达,结构动力可靠性理论及其应用,地震出版社,北京,1993;
[8]党育,杜永峰,李慧,基础隔震结构设计及施工指南,中国水利水电出版社,北京,2007;
[9]李桂青,曹宏,李秋胜,霍达,结构动力可靠性理论及其应用,地震出版社,北京,1993;
[10]王肇民,高耸结构振动控制,上海:同济大学出版社,1996.9;
[11]李宏男等,结构振动与控制,中国建筑出版社,北京,2005;
[12]Maria Q.Feng,Associate Member,ASCE,and Akira Mira,Member,ASCE,VIBRATION CONTROL OF TALL BUILINGS USING MEGA SUBCONFIGURATION,JOURNAL OF ENGINEERING MECHANICS,OCTOBER OF 1995;
[13]吕西林。结构主动控制和混合控制技术的新发展。世界地震工程,13卷2期,1997.6;
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[16]王光远,高耸结构风振的控制,石油建筑设计,No.2,1981;
[17]蔡丹绎,南京电视塔风振控制工程的实验研究,东南大学博士学位论文,1998.9;
[18]张敏政,利用水箱减振的结构控制研究,地震工程与工程振动,No.1,1993;
[19]李宏男,高层建筑利用悬吊质量摆的减震研究,地震工程与工程振动,No.4,1995;
[20]李桂青等,结构控制理论及其应用,武汉工业大学出版社,1991;
[21]李桂青等,用质量泵控制结构的鞭梢效应,地震工程与工程振动,No.4,1987;
[22]王肇民,调谐液体阻尼器对高耸结构的振动控制研究,第十届全国高耸结构学术会议论文集,1990;
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