偏心结构磁流变阻尼减震控制研究

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地震地面运动是复杂的多维运动,各点的周期和相位均不相同,导致地面各质点的运动不仅有平动分量,也有转动分量,迫使结构产生平扭耦联空间振动。另外,由于结构本身存在偏心,即结构的质量中心与刚度中心不相重合.也会使结构产生平扭耦联空间振动。理论研究与震害经验表明,扭转反应会加速结构在地震作用下的破坏,在某些情况下甚至成为导致建筑物破坏的主要因素。因此,研究偏心结构在地震作用下的扭转耦联振动控制问题具有重要的现实意义。本论文以此为背景,利用磁流变调液阻尼器和磁流变阻尼器来控制偏心结构在地震作用下的平扭耦联振动,主要进行了以下几个方面的研究工作:   (1)对MR—CTLCD扭转控制体系的参数进行研究。利用随机振动的虚拟激励法,分析磁流变环形调液阻尼器对结构扭转振动控制的最优参数,得到解析表达式;针对结构扭转振动,推导出扭转位移减振系数表达式,分析控制系统参数对结构扭转反应控制效果的影响。分析表明,磁流变环形调液阻尼器是一种有效的扭转振动控制装置。   (2)在前人研究的基础上,提出多维非平稳随机响应的混合型精细时程积分。该方法计算精度、效率高,易于编程,可以处理各种复杂随机问题,不受结构系统阻尼特性的限制,因此是一种具有极大发展潜力的多维随机振动分析方法。另外,通过对偏心结构随机响应分析得到:结构在多维作用下,结构弱轴和扭转位移响应普遍大于单轴作用下的响应,特别是扭转位移增大显著,而强轴变化不大。因此应该考虑多维地震动激励,且考虑地震动不同分量问的相关性,使得计算结果更加接近于真实情况。   (3)提出利用MR—TLCD和MR—CTLCD来控制偏心结构在多维地震动作用下扭转耦联振动的方法,并采用带精英策略的非支配排序遗传算法NSGA—II,对控制体系的参数进行优化设计。算例分析表明,在结构顶层设置MR—TLCD和MR—CTLCD,经合理设置其参数,在不同场地类型下,均能有效抑制结构的平扭耦联振动;采用NSGA—II对阻尼器参数进行多目标优化设计,使结构每个自由度的平动位移和扭转位移反应同时得到减小。   (4)针对已有的各种磁流变阻尼器半主动控制策略的不足,提出利用ANFIS技术对磁流变阻尼器逆向动力特性进行智能辨识,以建立新的施加电流(或电压)控制策略,使其能够充分发挥磁流变阻尼器连续顺逆可调的优点。数值仿真分析表明,采用ANFIS对磁流变阻尼器模型进行智能辨识,可以达到很高的辨识精度,所建立的磁流变阻尼器ANFIS逆模型施加电流控制策略,可以使磁流变阻尼器的阻尼力输出高度逼近所需要的阻尼力,完全可以用于结构振动控制。   (5)基于离复位(OTE)控制策略理论,提出位移速度—控制力模型的模糊控制算法,结合离线智能辨识好的磁流变阻尼器ANFIS逆模型控制策略,形成新的半主动控制方案。数值分析表明,所提半主动控制方案具有优良的控制性能,其控制效果非常接近于LQR主动控制算法。   (6)提出变论域模糊控制器确定磁流变阻尼器控制电压的控制策略,采用磁流变阻尼器对双向水平地震作用下的偏心结构进行半主动控制。分析表明,变论域模糊控制策略能有效抑制偏心结构的位移反应和加速度反应,且对位移的控制效果优于对加速度。该控制策略避免了加速度反应放大现象,且底层角柱的平扭耦联位移反应也得到有效控制。说明本文所提的变论域模糊控制策略对控制剪切型偏心结构地震反应是可行并有效的。
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