调谐惯质阻尼器力学性能及其对结构减震性能研究

摘要

大型结构的抗震性能是土木工程领域关注的重点研究方向，特别是基于不同类型阻尼器的减震体系一直是抗震领域研究热点之一。传统的结构减震体系仅考虑阻尼系数这一单参数变化的影响，而随着三元减振体系的发展，能同时考虑质量单元、阻尼单元和刚度单元的三元减振技术获得了迅速发展。电涡流阻尼单元联合具有质量放大效应的惯质单元形成二元减振体系，在此基础上，再耦合弹簧单元形成的三元减振体系具有调谐作用，大大提高了对结构振动控制的效果。本文将从带旋转惯质的轴向电涡流阻尼器入手展开研究，而后重点研究了调谐黏性质量阻尼器(TVMD)和调谐惯性质量阻尼器(TID)对土木工程结构的减震效果，论文完成的主要工作如下：　　(1)通过电磁有限元和试验测试研究了轴向电涡流惯质阻尼器(ECVMD)的影响参数和滞回性能，分析表明电涡流阻尼力具有显著的速度非线性，电涡流阻尼力的速度曲线中的临界速度会受导体筒厚度和电导率的影响，而初始阻尼系数和最大轴向电涡流阻尼力还受空气间隙和永磁体数量的影响。试验测得的电涡流惯质阻尼器滞回曲线饱满，与理论分析结果吻合。　　(2)推导了单自由度结构在多重调谐频率阻尼器(MTVMD、MTID)控制下的位移动力放大系数，通过数值分析对不同结构阻尼比、质量比和调谐频率个数的TVMD及TID进行了参数优化和减震性能分析。结果表明，TVMD和TID的减震效果相当，都优于VMD。推导了TVMD和TID非线性阻尼的等效阻尼比，分析了速度指数?对TVMD和TID最优参数的影响，结果表明速度指数对最优阻尼系数的影响较大，且在共振频率附近TVMD和TID等效阻尼比与线性阻尼的最优阻尼比相接近。　　(3)对主结构参数发生变化时MTVMD和MTID系统的鲁棒性进行了分析，结果表明系统鲁棒性随质量比和调谐频率个数的增加而增强，控制效果对结构频率变化较为敏感。提出一种参数偏离符合正态分布的计算模型来考虑MTVMD和MTID自身参数偏离对结构减震性能的影响，通过蒙特卡罗试验对MTVMD和MTID的减震性能进行分析。结果表明，质量比和系统子阻尼器个数都会影响减震有效性和可靠性。　　(4)建立了多自由度结构-MTVMD、MTID系统的运动方程及其拓扑模型的运动方程，基于复模态分析法和状态空间方程分析了阻尼器安装位置、数量和减震参数模型对结构动力特性和减震性能的影响，对比研究了阻尼器支撑位置变化对结构减震性能的影响。　　(5)基于某大跨度自锚式悬索桥，研究了调谐惯质阻尼器对地震响应与涡激共振响应的控制效果，分析表明TVMD和TID控制系统对纵向飘移可起到较好的控制效果，质量比为0.1时，两类调谐惯质阻尼器对梁端位移峰值和均方根的减震效率达45%左右；TMD、TVMD和双重调谐惯质阻尼器(RIDTMD)对桥梁竖向涡激共振具有良好的减振效果，质量比相同时，RIDTMD减振效果最好，TVMD减振效果次之，两者的减振效果都优于传统TMD。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 结构振动控制概述

1.2.1 被动控制

1.2.2 主动控制

1.2.3 半主动控制

1.2.4 混合控制

1.3 电涡流阻尼技术的发展及应用研究现状

1.4 调谐惯质阻尼器研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 电涡流惯质阻尼器参数分析

2.1 外杯旋转式电涡流阻尼力矩计算

2.1.1 涡流损耗原理法

2.1.2 微元等效线圈法

2.2 外杯旋转式轴向电涡流阻尼器参数分析

2.2.1 轴向电涡流阻尼器工作原理

2.2.2 电涡流阻尼器仿真模型

2.2.3 导体筒的影响

2.2.4 空气间隙的影响

2.2.5 永磁体数量的影响

2.3.1 电涡流阻尼力数学模型

2.3.2 阻尼器性能试验与理论分析对比

2.4 ECTVMD 和 ECTID 构造概念设计

2.5 本章小结

第3章 单自由度-调谐惯质阻尼器系统减震性能分析

3.1 单自由度-调谐惯质阻尼器力学模型

3.2.1 STVMD、STID 参数优化

3.2.2 结构动力放大系数

3.2.3 相对位移动力放大系数

3.2.4 减震机理分析

3.3.1 等效阻尼比推导

3.3.2 非线性阻尼参数优化

3.4 MTVMD、MTID 系统减震性能分析

3.5 SDOF-MTVMD、MTID 系统鲁棒性分析

3.5.1 结构质量偏离

3.5.2 结构刚度偏离

3.5.3 结构阻尼系数偏离

3.6.1 MTVMD、MTID 系统自身参数偏离模型

3.6.2 MTVMD、MTID 系统减震性能评估方法

3.6.3 数值模拟结果与分析

3.7 本章小结

第4章 多自由度-调谐惯质阻尼器系统减震性能分析

4.1 多自由度-调谐惯质阻尼器力学模型

4.2 状态空间方程与复模态分析法

4.3.1 动力特性分析

4.3.2 数值模拟结果分析

4.3.3 阻尼器安装位置与数量分析

4.3.4 减震参数模型分析

4.4 MDOF-MTVMD、MTID 系统鲁棒性分析

4.5 调谐惯质阻尼器支撑位置分析

4.6 本章小结

第5章 调谐惯质阻尼器在悬索桥中的应用

5.1 某自锚式悬索桥的工程背景

5.2 全桥有限元分析

5.2.1 全桥有限元模型建立

5.2.2 动力特性分析

5.3 纵向漂移控制

5.3.1 调谐惯质阻尼器布置方案

5.3.2 减震效果数值分析

5.4 竖向涡振控制

5.4.1 原桥设计方案的涡激共振响应

5.4.2 调谐质量阻尼器对涡振抑制分析

5.5 本章小结

总结与展望

主要研究结论

论文不足与展望

参考文献

致谢

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