基于可控沖程的混合主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于可控沖程的混合主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Hybridactive tunedmassdamperwithcontrolledstroke，CS-HATMD)振動(dòng)設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地震作為嚴(yán)重威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全的自然災(zāi)害，給人類造成了巨大的災(zāi)害，是 眾多地震多發(fā)國(guó)之一，例如近幾年來(lái)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(jīng)濟(jì)損失，還給人們帶來(lái)了巨大的悲痛和嚴(yán)重的心里傷害。21世紀(jì)，隨著世 界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)工程結(jié)構(gòu)的安全性和防災(zāi)性提出了越來(lái)越高的要求，要求工程 結(jié)構(gòu)在自然災(zāi)害（例如強(qiáng)震和臺(tái)風(fēng)）突發(fā)時(shí)能不被破壞，而且要求工程結(jié)構(gòu)在其作用下能 夠無(wú)受損傷。于是我們對(duì)工程結(jié)構(gòu)的防災(zāi)減災(zāi)提出了一些革命性的要求，而結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制 技術(shù)有望是實(shí)現(xiàn)這一防災(zāi)減災(zāi)革命性要求的根本途徑。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)一般是通過(guò)增 強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度與剛度來(lái)抵抗外荷載的作用，從而達(dá)到抗震的效果。所以我們?cè)谶M(jìn) 行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要準(zhǔn)確估計(jì)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(shí)性 能的變異以及現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)方法的局限性使得結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的局限性，業(yè)界學(xué)者們開(kāi)始對(duì)此不斷探求新 的方法，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的設(shè)計(jì)方法就是在這種情況下產(chǎn)生并發(fā)展的。
[0003] 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是通過(guò)采取一定的控制措施以調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性或是 通過(guò)施加外部能量來(lái)抵消外荷載作用，從而達(dá)到抗震減災(zāi)性能。根據(jù)是否需要外界能源， 結(jié)構(gòu)控制一般可分為以下四類：（1)被動(dòng)控制系統(tǒng)，一種不需要外部能源的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)， 一般是指在結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位附加一個(gè)子系統(tǒng)，或?qū)Y(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件做構(gòu)造上的處理以 改變結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性（如，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD)和多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（MTMD)); (2)主動(dòng)控制系統(tǒng)，一種需要外部能源的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，通過(guò)施加與振動(dòng)方向相反的控制力 來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制，控制力由前饋外激勵(lì)和（或）反饋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)決定；（3)半主動(dòng)控 制系統(tǒng)，一般以被動(dòng)控制為主，當(dāng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)開(kāi)始越限時(shí)，利用控制機(jī)構(gòu)來(lái)主動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu) 內(nèi)部的參數(shù)，使結(jié)構(gòu)參數(shù)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(dòng)控 制和被動(dòng)控制的聯(lián)合應(yīng)用，使其協(xié)調(diào)起來(lái)共同工作，這種控制系統(tǒng)充分利用了被動(dòng)控制與 主動(dòng)控制各自的優(yōu)點(diǎn)，既可以通過(guò)被動(dòng)控制系統(tǒng)大量耗散振動(dòng)能量，又可以利用主動(dòng)控制 系統(tǒng)來(lái)保證控制效果，例如主被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（active-passivetunedmassdamper， APTMD)〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種基于可控沖程混合主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)方法，來(lái)針 對(duì)混合主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（HATMD)存在提高對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制的有效性而阻尼系統(tǒng) 沖程明顯增大的缺陷。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下述技術(shù)方案：
[0006] 1)建立結(jié)構(gòu)一CS-HATMD系統(tǒng)力學(xué)模型：由結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量ms、阻尼cs和剛度ks， 建立結(jié)構(gòu)基于可控沖程的混合主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（即結(jié)構(gòu)一CS-HATMD)系統(tǒng)的力學(xué)模 型；
[0007]2)建立結(jié)構(gòu)一CS-HATMD系統(tǒng)動(dòng)力方程：根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)結(jié)構(gòu)及第一個(gè)主 動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（ATMD1)、第二個(gè)主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（ATMD2)進(jìn)行受力分析，建立結(jié) 構(gòu)一CS-HATMD系統(tǒng)動(dòng)力方程；
[0008] 3)對(duì)CS-HATMD進(jìn)行振動(dòng)控制的優(yōu)化；
[0009]4)設(shè)計(jì)新型CS-HATMD:通過(guò)比較結(jié)構(gòu)，考慮控制的有效性和阻尼系統(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(jì)新型CS-HATMD。
[0010] 所述步驟1)中建立結(jié)構(gòu)一CS-HATMD系統(tǒng)的力學(xué)模型：將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)單自由度 質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)其材料特點(diǎn)確定其阻尼cs和剛度ks，將一個(gè)ATMD1裝置在結(jié)構(gòu)上，以一主動(dòng)力 uT(t)控制，再將一個(gè)ATMD2裝置在ATMD1上，以一主動(dòng)力ut(t)控制，在ATMD2與結(jié)構(gòu)之間 添加一個(gè)阻尼為q的線性附加阻尼器；以此構(gòu)成結(jié)構(gòu)-CS-HATMD系統(tǒng)。
[0011] 所述步驟2)中建立結(jié)構(gòu)一CS-HATMD系統(tǒng)的動(dòng)力方程：分別對(duì)結(jié)構(gòu)、ATMD1、ATMD2 進(jìn)行受力分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，列出其系統(tǒng)方程為：
[0012]
[0013]
[0014]
[0015] 式中，&(〇為地震地面運(yùn)動(dòng)加速度；ys為結(jié)構(gòu)相對(duì)于基底的位移；yATMD1(即 大質(zhì)量塊）相對(duì)于結(jié)構(gòu)的位移；yt為ATMD2(即小質(zhì)量塊）相對(duì)于結(jié)構(gòu)的位移；ms、cJPks 分別為結(jié)構(gòu)的受控振型質(zhì)量、阻尼和剛度；％、(^和kT分別為ATMD1質(zhì)量、阻尼和剛度；mt、ct 和kt分別為ATMD2質(zhì)量、阻尼和剛度；q為附加阻尼器的阻尼；uT(t)為作用于結(jié)構(gòu)和ATMD1 之間的主動(dòng)控制力；ut(t)為作用于ATMD1和ATMD2之間的主動(dòng)控制力。
[0016] 所述步驟3)中對(duì)CS-HATMD進(jìn)行振動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)為：
[0017] 結(jié)構(gòu)一CS-HATMD系統(tǒng)的位移（ys)動(dòng)力放大系數(shù)：
[0018]
[0019] ATMD1沖程（yT)的動(dòng)力放大系數(shù)為：
[0020]
[0021] ATMD2沖程（yt)的動(dòng)力放大系數(shù)為：
[0022]
[0023]式中：
[0046] 式中：A為主結(jié)構(gòu)的頻率比；&為ATMD1的頻率比；ft為ATMD2的頻率比；| 3為 主結(jié)構(gòu)的阻尼比；ISATMDI的阻尼比；|tSATMD2的阻尼比；| 附加阻尼器的阻尼 比；yATMD1與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比；yt為ATMD2與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比；n為ATMD2與ATMD1的質(zhì) 量比；aATMD1的標(biāo)準(zhǔn)化加速度反饋增益系數(shù)；at為ATMD2的標(biāo)準(zhǔn)化加速度反饋增益 系數(shù)；0為aT與at的比例因子。
[0047] 優(yōu)化過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際工程，設(shè)定X、yT、q的值，選定aT、at、0的范圍，對(duì)fT、 ft、lT、lt、l進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。
[0048] 所述步驟4)設(shè)計(jì)新型CS-HATMD:中定義最優(yōu)參數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：設(shè)置CS-HATMD時(shí)結(jié) 構(gòu)的最大動(dòng)力放大系數(shù)的最小值的最小化，即）； 7心.. 越小，則裝置振動(dòng)控制有效性就約佳；利用基因遺傳算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并與HATMD進(jìn)行比 較。
[0049] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0050] 本發(fā)明方法能設(shè)計(jì)出一種適用于所有結(jié)構(gòu)的新型混合主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，優(yōu)越 之處在于CS-HATMD的有效性和HATMD的有效性幾乎相同，但CS-HATMD的沖程顯著小于HATMD的沖程。
【附圖說(shuō)明】
[0051] 圖1是CS-HATMD設(shè)計(jì)方法程序框架圖。
[0052] 圖2是基于可控沖程的混合主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（CS-HATMD)系統(tǒng)模型圖。
[0053] 圖3是CS-HATMD、HATMD的fT隨at變化關(guān)系曲線圖。
[0054] 圖4是CS-HATMD、HATMD的ft隨at變化關(guān)系曲線圖。
[0055] 圖5是CS-HATMD、HATMD的|滿at變化關(guān)系曲線圖。
[0056] 圖6是aT=-4、-8,at=8時(shí)CS-HATMD的m〃，隨、變化關(guān)系曲線圖。
[0057] 圖7是a T= -4、-8, a t= 8時(shí)CS-HATMD的隨i變化關(guān)系曲線圖。
[0058] 圖8是CS-HATMD、HATMD的隨at變化關(guān)系曲線圖。
[0059] 圖9是CS-HATMD、HATMD的隨a t變化關(guān)系曲線圖。
[0060] 圖10是CS-HATMD、HATMD的m,/隨at變化關(guān)系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0061] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)的說(shuō)明。
[0062] 實(shí)施例一：
[0063] 如圖1所示，本基于可控沖程的混合主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)計(jì)方法，包括如下步 驟：
[0064] 1)建立結(jié)構(gòu)一CS-HATMD系統(tǒng)力學(xué)模型：由結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量ms、阻尼cs和剛度ks， 建立結(jié)構(gòu)基于可控沖程的混合主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（即結(jié)構(gòu)一CS-HATMD)系統(tǒng)的力學(xué)模 型；
[0065] 2)建立結(jié)構(gòu)一CS-HATMD系統(tǒng)動(dòng)力方程：根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)結(jié)構(gòu)及第一個(gè)主 動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（ATMD1)、第二個(gè)主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（ATMD2)進(jìn)行受力分析，建立結(jié) 構(gòu)一CS-HATMD系統(tǒng)方程；
[0066]3)對(duì)結(jié)構(gòu)一CS-HATMD系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)控制參數(shù)的優(yōu)化；
[0067]4)設(shè)計(jì)新型CS-HATMD :通過(guò)比較結(jié)構(gòu)，考慮控制的有效性