负刚度磁流变阻尼器减震系统的理论与实验研究

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在土木结构的振动控制领域,结构振动的半主动控制因具有输入能量少、控制效果好、实用性强等优势成为近些年的研究热点。目前的半主动控制方法会提高结构的刚度,虽然可以较好的控制结构的层间位移但对加速度的控制效果并不理想。负刚度振动控制由于可部分抵消结构抗侧刚度,从而使加速度得到更好的控制。目前国内外在这方面的研究尚处于起步阶段,研究成果较少,未见到负刚度减震控制结构中正负刚度阻尼器的布置规律及其减震结构的振动台实验研究,本文研究旨在弥补这些不足。本文主要研究工作有以下四个方面:1)对单自由度体系和双自由度体系进行负刚度阻尼器减震的理论分析。通过对单自由度结构的理论分析,发现负刚度阻尼器较传统阻尼器更有利于提高结构减震效果;通过对比分析多种双自由度体系的减震方法,发现当负刚度阻尼器布置在结构下部时可取得更好的减震效果。2)对Benchmark模型进行了负刚度减震的阻尼器优化布置研究。提出了MATLAB与SAP2000混合分析的新方法,编制了相应基于遗传算法的MATLAB优化分析程序。采用编制的程序对20层Benchmark模型进行正、负刚度阻尼器的优化布置研究,得出了负刚度减震控制结构正负刚度阻尼器的布置规律:首层应布置正刚度阻尼器,中下部应布置负刚度阻尼器,上部应布置正刚度阻尼器,除一层外相邻两层的阻尼器刚度宜逐渐变化。在多层结构中合理的布置负刚度阻尼器可以取得较传统粘滞阻尼器更好的振动控制效果。3)研制了负刚度磁流变阻尼器及其配套的控制系统。根据负刚度振动控制及本文实验的需要,设计制作了两支磁流变阻尼器,并以DSP为计算控制核心开发了一套磁流变阻尼器的负刚度控制系统。通过实验研究了阻尼器的性能,结果表明:本文研制的磁流变阻尼器的出力范围为80N-1400N,滞回曲线饱满;采用研制的MR阻尼器和负刚度控制器,通过改变控制参数可实现具有负刚度性态的滞回曲线。4)负刚度磁流变阻尼器钢框架减震的振动台实验。对四层钢框架进行了负刚度的减震优化分析,并参照分析结果进行了振动台减震实验,实验对比了阻尼器分别为正刚度、负刚度和零刚度三种情况时的减震效果,结果表明负刚度阻尼器较普通粘滞阻尼器和正刚度阻尼器有更好的减震表现。综上所述,本文提出的负刚度磁流变阻尼器及其结构中的布置规律,可有效实现结构的负刚度振动控制,使结构的层间位移和加速度同时得到较好控制,具有良好应用前景。
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