双调谐质量阻尼器设计方法及火电厂房结构减震控制研究

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调频质量阻尼器(TMD)是控制结构振动的一种有效装置,因其具有结构简洁、成本低廉和安装方便灵活等优点,而被广泛应用于高层结构及其它土木工程结构的振动控制中。但是,TMD的减振效果对调谐频率的波动十分敏感,而在实际工程中其频率很难达调谐到最优,这导致其有效性明显降低。有鉴于此,本文立足于国内外相关研究领域前沿,对双调谐质量阻尼器(DTMD)的参数及设计方法进行了研究,并从工程应用的角度研究了DTMD以及悬吊煤斗的减震性能,主要工作和成果包括以下几个方面。  第一,总结了主、被动调谐质量阻尼器、多重调谐质量阻尼器(MTMD)、DTMD及TMD-TLD混合调频系统的工作原理、构造类型及其应用情况,分析了不同类型调谐质量阻尼器的优点及存在的问题;结合国内外厂房结构中悬吊结构部件的研究与应用情况,对调谐质量阻尼器减震理论和技术应用于厂房结构需要研究的问题进行了总结。  第二,建立了地面运动作用下DTMD—单自由度结构体系的运动方程,推导了该阻尼器控制下受控结构及上、下层TMD的位移响应放大系数(DDMF)计算公式,并分析了该阻尼器参数对受控结构DDMF控制效果的影响规律;在此基础上,给出了一种DTMD的最优化目标函数和简化设计方法。分析结果表明,依据简化设计方法确定的DTMD可有效降低受控结构动力响应,且与单TMD相比,优化设计后的DTMD控制效果的鲁棒性更好。  第三,基于随机振动理论研究了TMD、MTMD及DTMD的控制效果,结果表明,三种阻尼器附加质量比相同时,DTMD在地震和风振作用下的控制效果均是最好的,MTMD其次,TMD最差,且三种控制策略对风振响应的控制效果均优于对地震响应的控制效果;基于虚拟激励法和杜修力地震动模型及修正Kanai-Tajimi地震动模型,考虑受控结构频率与地震加速度卓越频率比的不同取值及不同场地类型,对DTMD的参数进行了研究,结果表明,就频率比对DTMD参数影响的大小而言,杜修力模型大于修正Kanai-Tajimi模型,且杜修力模型的影响以一类场地最为明显,其次为二~四类场地。  第四,推导了DTMD—多自由度结构体系位移响应动力放大系数,分析了振型参与系数对DTMD最优参数的影响,并给出了DTMD参数优化设计方法。数值分析结果表明,当控制多自由度结构的第一振型时,其振型参与系数对DTMD最优参数基本没有影响,优化设计后的DTMD可有效降低受控结构的动力响应。  第五,分析了某大型火力发电厂钢筋混凝土主厂房的动力特性,研究了DTMD、MTMD对其动力反应的减震效果。结果表明,DTMD对结构X向的减震效果优于2质量MTMD及5质量MTMD,但对Y向DTMD的作用退化为TMD,故存在反应放大的情形;2质量MTMD对于结构X向及Y向动力反应均具有一定的减震效果;5质量MTMD对多遇地震作用下结构的动力反应均具有较稳定的减震效果,但对于罕遇地震作用存在煤斗层及顶层位移放大的情形。  第六,将某侧煤仓结构的悬吊煤斗视为相同参数且并联的TMD,对结构在49条地震波作用下TMD的最优参数进行了统计分析,得到了TMD最优参数和减震效果的均值和均方差,并与基于随机振动理论和Min.Max(DDMF)优化准则得到的结果进行了对比分析。结果表明,三种方法得到的TMD最优参数虽然有一定差别,但TMD的统计减震效果与后二种方法中较优者较为接近。所以,对于实际工程问题而言,可以取后二种方法中控制效果较优者的参数作为TMD的设计参数。  最后,总结了本文的主要研究工作,同时立足于本文的研究成果对下一步工作进行了展望。  
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