串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Double-Series-Parallel Tuned Mass Dampers，DSPTMD)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地震是一種常見(jiàn)且又突發(fā)的自然災(zāi)害，至今預(yù)見(jiàn)性仍然很低，且分布廣泛、破壞嚴(yán) 重，一旦發(fā)生將給人類(lèi)造成非常嚴(yán)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(huì)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(jì)損失。我國(guó)是世界 上遭受地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。
[0003] 土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究和應(yīng)用被認(rèn)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(jì)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 尼和改變質(zhì)量分布等來(lái)抵抗環(huán)境荷載（例如強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)震）的方法發(fā)展為由結(jié)構(gòu)一抗風(fēng)抗震 振動(dòng)控制系統(tǒng)主動(dòng)地控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(dòng)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，安裝于其上的這些控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制力，能顯著降低結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制根據(jù)是否需要外界能源，一般分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控 制四類(lèi)。
[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(duì)自然災(zāi) 害（例如強(qiáng)風(fēng)與強(qiáng)震）的防御能力。實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控結(jié)構(gòu)的災(zāi)害響應(yīng)，探測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷和 屈服，經(jīng)計(jì)算機(jī)在線(xiàn)處理的伺服系統(tǒng)自動(dòng)向結(jié)構(gòu)實(shí)施控制力。結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(lái) 建筑結(jié)構(gòu)基于性能化的抗震設(shè)計(jì)提供了可行的方法。在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的各分支中，質(zhì)量調(diào) 諧減振技術(shù)是一種相對(duì)成熟的技術(shù)，因其具有對(duì)控制元件要求低，可直接安裝于建筑結(jié)構(gòu)， 無(wú)需修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就能適用于已有建筑等一系列的特點(diǎn)，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(lái)，質(zhì)量調(diào)諧阻尼器在國(guó)內(nèi)外一些重要建筑物上的應(yīng)用更為 廣泛。例如：上海中心大廈的擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器；上海環(huán)球金融中心兩臺(tái)150噸的 風(fēng)阻尼器；臺(tái)北101大廈的擺動(dòng)TMD (Tuned Mass Dampers，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器）系統(tǒng)等。
[0005] TMD作為一種世界范圍內(nèi)公認(rèn)的高性能減振設(shè)備已經(jīng)得到了十分深入透徹的研 究。但是TMD存在的兩大主要問(wèn)題是：第一，只有當(dāng)TMD的自振頻率與結(jié)構(gòu)自身自振頻率一 致或接近時(shí)，TMD的振動(dòng)控制效果才會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)，而實(shí)際工程中由于施工的原因或者外 界環(huán)境的影響會(huì)導(dǎo)致TMD的自振頻率達(dá)不到預(yù)期狀態(tài)，導(dǎo)致失諧。同時(shí)TMD只能在有限的 頻帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行制振，針對(duì)近場(chǎng)地震效果不佳；第二，TMD質(zhì)量塊的沖程過(guò)大，當(dāng)質(zhì)量塊 進(jìn)行調(diào)諧減振時(shí)很容易與上部結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，影響了實(shí)際工程的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的 主要研究思路之一就是發(fā)明設(shè)計(jì)一種新的振動(dòng)控制裝置，同時(shí)兼顧有效性和沖程問(wèn)題，實(shí) 現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的減振制振。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì) 量阻尼器最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，相對(duì)于TMD而言，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)質(zhì)量塊之間的比值可以實(shí)現(xiàn)有 效性的大幅度提升；同時(shí)在一定的質(zhì)量比范圍內(nèi)，DSPTMD的沖程可以大幅度降低，同時(shí)有 效地控制地震作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。相對(duì)于DPTMD而言，DSPTMD在有效性略有提升的基 礎(chǔ)上可以大幅度降低阻尼，同時(shí)在兩個(gè)質(zhì)量塊之比處于某一范圍內(nèi)時(shí)可以繼續(xù)降低沖程， 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下述技術(shù)方案：一種串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其包括如下步驟：
[0008] 步驟一，建立串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的模型，具體過(guò)程如下：在傳統(tǒng)TMD -個(gè)第一 質(zhì)量塊的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)第二質(zhì)量塊，并與其平行安裝，分別采用彈簧和阻尼器將第一質(zhì) 量塊和第二質(zhì)量塊連接在建筑主結(jié)構(gòu)上，構(gòu)成由第一質(zhì)量塊和第二質(zhì)量塊組成的并聯(lián)調(diào)諧 質(zhì)量阻尼器，在并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的基礎(chǔ)上，在第一質(zhì)量塊和第二質(zhì)量塊之間再連接一 個(gè)阻尼器，其阻尼記為cT，構(gòu)成串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器；
[0009] 步驟二，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)建筑主結(jié)構(gòu)及串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器進(jìn)行受力 分析，建立建筑主結(jié)構(gòu)一DSPTMD系統(tǒng)的動(dòng)力方程；
[0010] 步驟三，對(duì)比TMD、并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器DPTMD，對(duì)串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器進(jìn)行振 動(dòng)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)；
[0011] 步驟四，通過(guò)參考優(yōu)化結(jié)果，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)串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。
[0012] 優(yōu)選地，所述步驟一中建立建筑主結(jié)構(gòu)一DSPTMD系統(tǒng)的力學(xué)模型：將建筑主結(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)確定其阻尼和剛度，在傳統(tǒng)TMD -個(gè)第一質(zhì)量塊 的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)第二質(zhì)量塊，并與其平行安裝，分別采用彈簧和阻尼器將第一質(zhì)量塊和 第二質(zhì)量塊連接在建筑主結(jié)構(gòu)上，構(gòu)成由第一質(zhì)量塊和第二質(zhì)量塊組成的并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻 尼器；在并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的基礎(chǔ)上，在第一質(zhì)量塊和第二質(zhì)量塊之間再連接一個(gè)阻尼 器，其阻尼記為cT，構(gòu)成串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，即建筑主結(jié)構(gòu)一DSPTMD系統(tǒng)。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟二建立建筑主結(jié)構(gòu)一DSPTMD系統(tǒng)的動(dòng)力方程表示為下式：
[0017] 式中，4⑴為地震地面運(yùn)動(dòng)加速度；ys為建筑主結(jié)構(gòu)相對(duì)于基底的位移；Λ為建 筑主結(jié)構(gòu)相對(duì)于基底的速度；Λ為建筑主結(jié)構(gòu)相對(duì)于基底的加速度；yi、72為T(mén)MD1、TMD2 質(zhì)量塊相對(duì)于建筑主結(jié)構(gòu)的位移；丸、九為T(mén)MD1、TMD2質(zhì)量塊相對(duì)于建筑主結(jié)構(gòu)的速度； li、鳥(niǎo)為ATMD質(zhì)量塊相對(duì)于建筑主結(jié)構(gòu)的加速度；ms、cJPks分別為建筑主結(jié)構(gòu)的受控振 型質(zhì)量、阻尼和剛度cdP k i分別為T(mén)MD1的質(zhì)量、阻尼和剛度；m 2、〇2和k 2分別為T(mén)MD2 的質(zhì)量、阻尼和剛度；cT為連接第一質(zhì)量塊和第二質(zhì)量塊的阻尼。
[0018] 優(yōu)選地，所述步驟三中對(duì)串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器進(jìn)行振動(dòng)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)為如下 內(nèi)容：
[0019] 建筑主結(jié)構(gòu)一DSPTMD系統(tǒng)的位移動(dòng)力放大系數(shù)如下式：
[0021] TMD1沖程的動(dòng)力放大系數(shù)為如下式：
[0023] TMD2沖程的動(dòng)力放大系數(shù)為如下式：
[0026] 式中：λ為建筑主結(jié)構(gòu)的頻率比；動(dòng)力放大系數(shù)由假定建筑主結(jié)構(gòu)遭受簡(jiǎn)諧外激 勵(lì)時(shí)求得，將外激勵(lì)荷載表示為.;^0):=[尤,卜/_?')_丨^_"'，~ =隊(duì)(-1￥)]61'^，71=[!11(-1￥)] iwt 「ττ / · 、? iwt e ，y2= LH2(_iw)」e 。
[0027] 優(yōu)選地，所述步驟四中定義最優(yōu)參數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：設(shè)置串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的建 筑主結(jié)構(gòu)最大動(dòng)力放大系數(shù)的最小值的最小化；利用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并與TMD、 DPTMD進(jìn)行比較。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)于TMD 而言，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)質(zhì)量塊之間的比值可以實(shí)現(xiàn)有效性的大幅度提升；同時(shí)在一定的質(zhì)量 比范圍內(nèi)，DSPTMD的沖程可以大幅度降低，同時(shí)有效地控制地震作用下建筑主結(jié)構(gòu)的位移 響應(yīng)。相對(duì)于DPTMD而言，DSPTMD在有效性略有提升的基礎(chǔ)上可以大幅度降低阻尼，同時(shí) 在兩個(gè)質(zhì)量塊之比處于某一范圍內(nèi)時(shí)可以繼續(xù)降低沖程，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1是串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（DSPTMD)設(shè)計(jì)分析過(guò)程圖；
[0030] 圖2是串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（DSPTMD)系統(tǒng)模型的示意圖；
[0031] 圖3是采用遺傳算法優(yōu)化的流程圖；
[0032] 圖4是μ = 0· 01時(shí)，TMD、DPTMD、DSPTMD對(duì)應(yīng)不同的η時(shí)變化關(guān)系曲線(xiàn) 的不意圖；
[0033] 圖5是μ = 0. 01時(shí)，DPTMD、DSPTMD對(duì)應(yīng)不同的η時(shí)匕的變化關(guān)系曲線(xiàn)的示意 圖；
[0034] 圖6是μ = 0. 01時(shí)，DPTMD、DSPTMD對(duì)應(yīng)不同的η時(shí)&的變化關(guān)系曲線(xiàn)的示意 圖；
[0035] 圖7是μ = 0. 01時(shí)，DPTMD、DSPTMD對(duì)應(yīng)不同的η時(shí)ξ i的變化關(guān)系曲線(xiàn)的示 意圖；
[0036] 圖8是μ = 0. 01時(shí)，DPTMD、DSPTMD對(duì)應(yīng)不同的η時(shí)ξ 2的變化關(guān)系曲線(xiàn)的示 意圖；
[0037] 圖9是μ = 0. 01時(shí)，DSPTMD對(duì)應(yīng)不同的η時(shí)ξ τ的變化關(guān)系曲線(xiàn)的示意圖；
[0038] 圖10是μ = 0· 01時(shí)，TMD、DPTMD、DSPTMD對(duì)應(yīng)不同的η時(shí)變化關(guān)系曲線(xiàn) 的不意圖；
[0039] 圖11是μ = 0. 01時(shí)，TMD、DPTMD、DSPTMD對(duì)應(yīng)不同的η時(shí)變化關(guān)系曲線(xiàn) 的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0041] 如圖1所示，本發(fā)明串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包括如下步驟：
[0042] 步驟一，建立串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的模型（即建筑主結(jié)構(gòu)一DSPTMD系統(tǒng)模型）， 具體過(guò)程如下：在傳統(tǒng)TMD -個(gè)第一質(zhì)量塊ml的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)第二質(zhì)量塊m2,并與其 平行安裝，分別采用彈簧和阻尼器將第一質(zhì)量塊ml和第二質(zhì)量塊m2連接在建筑主結(jié)構(gòu)上， 構(gòu)成由兩個(gè)質(zhì)量塊（第一質(zhì)量塊ml和第二質(zhì)量塊m2)組成的并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。在并 聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的基礎(chǔ)上，在兩個(gè)質(zhì)量塊（第一質(zhì)量塊ml和第二質(zhì)量塊m2)之間再連接 一個(gè)阻尼器，其阻尼記為cT，構(gòu)成串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。
[0043] 步驟二，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)建筑主結(jié)構(gòu)及串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器進(jìn)行受力 分析，建立建筑主結(jié)構(gòu)一DSPTMD系統(tǒng)的動(dòng)力方程；
[0044] 步驟三，對(duì)比TMD、并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器DPTMD，對(duì)串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器進(jìn)行振 動(dòng)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)；
[0045] 步驟四，通過(guò)參考優(yōu)化結(jié)果，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)串并聯(lián)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。
[0046] 如圖2所示，所述步驟一中建立結(jié)構(gòu)一DSPTMD系統(tǒng)的力學(xué)模型：將建筑主結(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)確定其阻尼和剛度，在傳統(tǒng)TMD -個(gè)第一質(zhì)量塊ml 的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)第二質(zhì)量塊m2,并與其平行