带有分布参数的串联体系地震响应分析及智能控制

摘要

带分布参数的串联体系是土木工程中常见的结构体系，比如：高压电气设备支架串联结构、高层框架结构、高层框架-剪力墙结构等。由于这类串联体系既有集中参数又有分布参数，而且集中参数与分布参数的节点又有柔性连接的情形，同时在地震作用下会产生较大的倾覆弯矩，因此在地震作用下带分布参数的串联体系地震响应求解、被动隔震及智能隔震比较复杂。为此本文针对带分布参数的串联体系地震响应求解、被动隔震及智能隔震的几个热点、难点问题展开研究，其中主要的工作有以下几方面：
　　 (1)首先以单节柔性节点高压电气设备为研究对象建立单节分布参数串联体系的动力分析模型，通过分布参数梁振动理论，避免对结构的离散，集中参数通过边界条件的引入，推导出其频率方程，根据Betti定律，推导出具有单节带分布参数柔性节点串联体系的正交条件，应用此正交条件对集中参数与分布参数的振动方程解耦，推导出该单节带分布参数串联体系的广义质量及广义荷载，进一步通过振型叠加的方法求解结构的地震响应。仿真结果表明，该半解析法与有限元法计算结果相一致，说明该半解析法的正确性。最后将上述方法应用于多节柔性节点带分布参数串联体系，求解多节柔性节点高压电气设备支架串联体系的地震响应。
　　 (2)建立了高层剪力墙结构动力分析简化模型，仿照推导柔性节点带分布参数串联体系地震响应半解析解的方法，推导出多节刚性节点带分布参数串联体系——高层剪力墙结构地震响应的半解析解；进一步建立了高层框架-剪力墙结构的动力分析模型，框架结构部分对整体结构的影响通过边界条件的引入，然后通过应用求解多节刚性节点带分布参数地震响应的求解方法求解框架-剪力墙结构的地震响应。仿真结果显示，建立的高层结构动力分析简化模型优于悬臂梁模型，而且本文推导的求解地震响应的半解析解是正确的及计算工作量小。
　　 (3)通过并联橡胶隔震支座，实现以带分布参数的高架电气设备支架串联体系的隔震，然后建立高架电气设备支架串联隔震体系的力学模型，通过串联体系集中参数与分布参数的振动方程，推导出该串联隔震体系的频率方程、振型正交条件、广义质量与广义刚度，由于该串联隔震体系为非比例阻尼体系，通过把该串联隔震体系的非比例阻尼分解为比例阻尼部分和非比例阻尼部分，非比例阻尼部分由隔震支座的阻尼所引起，应用Hamilton原理推导出非比例阻尼部分等效振型阻尼，从而实现该体系运动方程的解耦，通过振型叠加法进行该串联隔震体系地震响应的求解。最后进行有限元软件数值积分法求解的地震响应与该半解析法求解地震响应的比较，分析半解析法求解地震响应的正确性及隔震技术的有效性。
　　 (4)针对以高层建筑为研究对象的带分布参数串联体系，研制出双向抗拔滑动装置，该双向抗拔滑动装置既能抵抗拉力又能承受压力。将该装置设置于隔震层较大拉力的位置，与夹层橡胶隔震垫同时使用，当高层建筑在地震作用下倾覆力矩较大时，该双向滑动装置可以抵抗倾覆力矩产生的拉力，使夹层橡胶隔震垫处于受压状态。然后建立刚性节点带分布参数串联隔震体系力学模型，用推导多节柔性节点带分布参数串联隔震体系地震响应求解的方法进行推导求解刚性节点带分布参数串联隔震体系地震响应的半解析解。
　　 (5)针对带分布参数的串联体系，借用本课题组提出的序列最优控制算法，推导出序列最优模态控制算法，然后用该算法进行带分布参数串联体系的智能隔震。由于序列最优模态控制算法振动控制时需要结构全状态，在工程应用中难于实现，因此，提出了针对序列最优模态控制算法的全维状态观测器，实现在振动控制时只要测量容易测量的状态，然后通过全维状态观测器重构结构的全部状态，从而实现序列最优模态控制算法用于带分布参数串联体系的振动控制。由于在线实时控制过程中，结构响应测量、在线计算和驱动器响应都需要消耗时间，因此时滞是不可避免的，为了解决时滞问题，提出了将径向基神经网络和序列最优模态控制算法有机结合而形成的序列最优预测模态控制器，仿真结果表明，在无时滞与有时滞情况下该控制器的控制效率良好。
　　 (6)在双向抗拔滑动装置的基础上，设计出双向压电变摩擦控制装置，该控制装置可以在两个方向滑动产生控制力，进一步推导出该控制装置应用于结构振动控制的半主动控制算法。最后设计出一压电变摩擦控制装置，进行数值仿真，根据仿真结果，将该控制装置应用于带分布参数串联体系的智能隔震，显示出良好的控制效果。
　　 (7)对目前进行地震响应分析及振动控制仿真软件Simulink作了详细介绍，讲述了Simulink仿真地震响应及振动控制的技术。讲述Simulink的扩展工具——S-函数的工作原理，用Simulink/S-函数实现序列最优模态控制算法变增益矩阵的技术，实现序列最优模态控制算法的模块化。最后通过Simulink软件分别建立经典最优控制算法、线性二次型高斯算法和序列最优控制算法及基于状态观测器的序列最优模态控制算法的仿真模块图。
　　 (8)在理论研究和计算机仿真的基础上，进行了带分布参数体系的动力响应、隔震的扫频振动台试验。设计出压电变摩擦控制装置，并进行力学性能试验，然后将该控制装置用于带分布参数隔震体系，分别进行应用Passive-on与Passive-off算法的带分布参数串联隔震体系振动控制的扫频振动台试验，为该控制器的工程应用奠定了基础。
　　 (9)将本文带分布参数地震响应分析理论及隔震技术应用于实际工程，进行了完整的带分布参数串联体系隔震分析及设计，通过计算与分析，采用本文的并联橡胶隔震支座进行带分布参数体系的隔震技术具有较好的减震效果。通过讲述该隔震技术的设计过程，为该技术广泛应用于实际工程奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的研究背景和意义

1.2带分布参数体系抗震分析理论研究现状

1.2.1高架电气设备支架串联体系抗震分析理论

1.2.2高架电气设备减震器国内外研究概述

1.2.3高层建筑抗震分析理论

1.3结构振动控制技术研究与工程应用现状

1.3.1被动控制技术

1.3.2主动控制技术及工程应用

1.3.3半主动控制技术及工程应用

1.3.4混合控制技术及工程应用

1.4压电智能材料在控制器中应用研究现状

1.4.1压电智能主动控制装置

1.4.2压电智能摩擦耗能器

1.5结构振动控制算法国内外研究现状

1.6本文所做的主要研究工作

1.7本课题有关的基金项目

第2章地震作用下带分布参数串联体系动力响应求解

2.1柔性节点集中分布参数体系地震响应求解

2.1.1单节柔性节点集中分布参数体系地震响应求解

2.1.2多节柔性节点集中分布参数体系地震响应求解

2.2多节刚性节点集中分布参数体系地震响应求解

2.2.1高层剪力墙结构地震响应求解

2.2.2高层框架-剪力墙结构地震响应求解

2.3木章小结

第3章地震作用下带分布参数串联隔震体系响应求解

3.1多节柔性节点集中分布参数串联隔震体系地震响应求解

3.1.1多节柔性节点集中分布参数串联隔震体系自振特性分析

3.1.2多节柔性节点集中分布参数串联隔震体系振型正交条件

3.1.3地震作用下串联隔震体系的振型叠加法

3.1.4算例与结果分析

3.2多节刚性节点集中分布参数串联隔震体系地震响应求解

3.2.1抗拔滑动装置

3.2.2高层剪力墙基础隔震结构地震响应求解

3.2.3高层框架-剪力墙结构地震响应求解

3.3本章小结

第4章地震作用下带分布参数串联隔震体系智能控制

4.1结构运动控制方程

4.2带分布参数串联体系序列最优模态控制

4.2.1序列最优模态控制算法

4.2.2算例与结果分析

4.3基于状态观测器的序列最优模态控制

4.3.1状态重构和状态观测器

4.3.2基于状态观测器的序列最优模态控制算法

4.3.3系统的能观性

4.3.4算例与结果分析

4.4基于状态观测器的序列最优预测模态控制

4.4.1离散状态方程

4.4.2 RBF神经网络

4.4.3序列最优预测模态控制算法

4.4.4最优控制力预测步骤

4.4.5地震响应控制仿真分析

4.5本章小结

第5章双向压电变摩擦控制器研制与性能分析

5.1压电材料概述

5.2压电材料用于土木工程结构振动控制的可行性分析

5.3双向压电变摩擦控制器构造与控制力模型

5.3.1双向压电变摩擦控制器构造

5.3.2控制力模型

5.4半主动结构振动控制算法

5.5基于双向压电变摩擦控制器的结构地震响应控制仿真

5.6本章小结

第6章地震作用下结构振动Simulink仿真技术

6.1 Simulink工作原理

6.1.1 Simulink模型的基本结构

6.1.2地震作用下结构响应Simulink仿真各部分的建模

6.2地震作用下结构响应Simulink仿真

6.2.1串联质点体系地震响应Simulink仿真

6.2.2带分布参数体系地震响应Simulink仿真

6.3序列最优模态控制算法Simulink S-函数仿真实现

6.4地震作用下结构振动控制Simulink仿真

6.4.1串联质点体系地震响应控制Simulink仿真

6.4.2带分布参数体系地震响应控制Simulink仿真

6.5本章小结

第7章带分布参数体系隔震技术工程应用

7.1工程概况

7.2隔震方案

7.3动力分析与计算

7.3.1计算简图

7.3.2计算分析

7.3.3罕遇地震时隔震支座验算

7.4隔震支座以上结构设计

7.5隔震支座以下支架结构设计

7.6隔震支座连接与安装

7.6.1隔震支座的安装

7.6.2支座安装施工说明及注意事项

7.7 330KV避雷器隔震设计结论

7.8本章小结

结论与展望

本文研究工作的主要结论

有待进一步解决的问题

附录A带分布参数串联隔震及振动控制有关试验研究

参考文献

致 谢

攻读学位期间所发表的学术论文及主要成果