基于可控冲程的主被动调谐质量阻尼器设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于可控冲程的主被动调谐质量阻巧器（Active-passive化ned massdamperwithcontrolledstroke，CS-APTMD)设计方法。
【背景技术】
[0002] 地震作为严重威胁人类生命财产安全的自然灾害，给人类造成了巨大的灾害，是 众多地震多发国之一，例如近几年来发生的汉川地震、日本地震、雅安地震。该些大地震不 仅造成了重大的经济损失，还给人们带来了巨大的悲痛和严重的屯、里伤害。21世纪，随着世 界经济的高速发展，人们对工程结构的安全性和防灾性提出了越来越高的要求，要求工程 结构在自然灾害（例如强震和台风）突发时能不被破坏，而且要求工程结构在其作用下能 够无受损伤。于是我们对工程结构的防灾减灾提出了一些革命性的要求，而结构振动控制 技术有望是实现该一防灾减灾革命性要求的根本途径。传统的结构抗震设计一般是通过增 强建筑结构自身的强度与刚度来抵抗外荷载的作用，从而达到抗震的效果。所W我们在进 行抗震设计时，首先需要准确估计结构所要承受的外部荷载、把握所用材料的特性，并且需 要选择合理的设计及分析方法。但是地震荷载的高度不确定性、材料的非线性和使用时性 能的变异W及现有结构分析和设计方法的局限性使得结构存在不满足使用功能和安全的 要求的可能性。考虑到传统结构抗震设计方法的局限性，业界学者们开始对此不断探求新 的方法，结构振动控制的设计方法就是在该种情况下产生并发展的。
[0003] 结构振动控制是通过采取一定的控制措施W调整建筑结构自身的动力特性或是 通过施加外部能量来抵消外荷载作用，从而达到抗震减灾性能。根据是否需要外界能源， 结构控制一般可分为W下四类；（1)被动控制系统，一种不需要外部能源的结构控制技术， 一般是指在结构的某个部位附加一个子系统，或对结构自身的某些构件做构造上的处理W 改变结构体系的动力特性（如，调谐质量阻巧器（TMD)和多重调谐质量阻巧器（MTMD)); (2)主动控制系统，一种需要外部能源的结构控制技术，通过施加与振动方向相反的控制力 来实现结构控制，控制力由前馈外激励和（或）反馈结构的动力响应决定；（3)半主动控 制系统，一般W被动控制为主，当结构动力反应开始越限时，利用控制机构来主动调节结构 内部的参数，使结构参数处于最优状态，所需的外部能量较小；(4)混合控制系统，主动控 制和被动控制的联合应用，使其协调起来共同工作，该种控制系统充分利用了被动控制与 主动控制各自的优点，既可W通过被动控制系统大量耗散振动能量，又可W利用主动控制 系统来保证控制效果，例如主被动调谐质量阻巧器（Active-Passive化nedMassDamper， APTMD)〇
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提出一种基于可控冲程的主被动调谐质量阻巧器设计方法，来针 对主被动调谐质量阻巧器（APTMD)存在提高对结构地震反应控制的有效性而阻巧系统冲 程明显增大的缺陷。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下述技术方案；一种基于可控冲程的主被动调谐 质量阻巧器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0006] 步骤一，建立结构CS-APTMD系统力学模型：由结构自身的质量心阻巧C郝刚度 k,，在单个调谐质量阻巧器TMD的基础上又串联增加一个小质量块，并施W-定的驱动力； 在结构质量块与小质量块之间添加一个线性附加阻巧器；然后建立结构基于可控冲程的主 被动调谐质量阻巧器系统，即结构CS-APTMD系统的力学模型；
[0007] 步骤二，建立结构CS-APTMD系统动力方程；根据结构动力学原理，对结构及调谐 质量阻巧器TMD、主动调谐质量阻巧器ATMD进行受力分析，建立结构CS-APTMD系统动力方 程；
[0008]步骤S，对结构CS-APTMD系统进行振动控制参数的优化；
[0009] 步骤四，设计优化的CS-APTMD;通过比较结构，考虑控制的有效性和阻巧系统冲 程控制的有效性，选择最优组合参数，参照原结构的参数设计优化的CS-APTMD，用于控制结 构振动。
[0010] 优选地，所述步骤一是将结构作为一个单自由度质点，根据其材料特点确定其阻 巧C,和刚度k,，将一个TMD装置在结构上，再将一个ATMD装置在TMD上，W-主动力Ut(t) 控制，在ATMD与结构之间添加一个阻巧为c曲线性附加阻巧器；W此构成结构CS-APTMD系 统。
[0011] 优选地，所述步骤二建立结构CS-APTMD系统的动力方程表示为下式：
[0015] 式中，为地震地面运动加速度；y,为结构相对于基底的位移；yT为TMD-即大 质量块一相对于结构的位移；yt为ATMD-即小质量块一相对于结构的位移；m,、C,和k,分 别为结构的受控振型质量、阻巧和刚度；!％、Ct和kT分别为TMD质量、阻巧和刚度；mt、Ct和 kt分别为ATMD质量、阻巧和刚度；c历线性附加阻巧器的阻巧；ut(t)为作用于TMD和ATMD 之间的主动控制力。
[0016] 优选地，所述步骤=中对CS-APTMD进行振动控制优化设计为：
[0017] 结构CS-APTMD系统的位移bs)动力放大系数为：
[0018]
[0019] TMD冲程（yi)的动力放大系数为：
[0020]
[0021]ATMD冲程（yt)的动力放大系数为：
[0022]
[0023]式中；
[0046] 式中；A为主结构的频率比审为TMD的频率比；ft为ATMD的频率比；Cs为主结 构的阻巧比；cT为tmd的阻巧比；ct为atmd的阻巧比；cL为附加阻巧器的阻巧比；yT为 TMD与结构的质量比；yt为ATMD与结构的质量比；n为TMD与ATMD的质量比；at为ATMD 的标准化加速度反馈增益系数；优化过程中，根据实际工程，设定A、Ut、n的值，选定at 的范围，对^T、^t、进行参数优化。
[0047] 优选地，所述步骤四中定义最优参数评价准则；设置CS-APTMD时结构的最大动力 放大系数的最小值的最小化，即=min.min.min.min.min.max.(DM/*;,、）； 越小，则装置 振动控制有效性就约佳；利用基因遗传算法进行参数优化，并与APTMD进行比较。
[0048] 与现有技术相比，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本 发明方法能设计出一种适用于所有结构的新型主被动调谐质量阻巧器，优越之处在于 CS-APTMD的有效性和APTMD的有效性几乎相同，但CS-APTMD的冲程显著小于APTMD的冲 程。
【附图说明】
[0049] 图1是CS-APTMD设计方法程序框架图。
[0050] 图2是基于可控冲程的主被动调谐质量阻巧器（CS-APTMD)系统模型图。
[0051] 图3是CS-APTMD、APTMD的随at变化关系曲线图。
[00閲 图4是CS-APTMD、APTMD的ft随at变化关系曲线图。
[0053] 图5是CS-APTMD、APTMD的Ct随at变化关系曲线图。
[0054] 图6是CS-APTMD的CL随at变化关系曲线图。
[00巧]图7是CS-APTMD、APTMD的O'W厂。、随at变化关系曲线图。
[0056]图8是CS-APTMD、APTMD的饼W；,,随at变化关系曲线图。
[0057]图9是CS-APTMD、APTMD的O'WF"，随at变化关系曲线图。
【具体实施方式】
[0058] 下面结合附图，对本发明的优选实施例作详细的说明。
[0059] 如图1所示，本发明基于可控冲程的主被动调谐质量阻巧器设计方法包括如下步 骤：
[0060] 步骤一，建立结构CS-APTMD系统力学模型：由结构自身的质量心阻巧C郝刚度 k,，在单个调谐质量阻巧器TMD的基础上又串联增加一个小质量块，并施W-定的驱动力； 在结构质量块与小质量块之间添加一个线性附加阻巧器；然后建立结构基于可控冲程的主 被动调谐质量阻巧器系统（即结构CS-APTMD)系统的力学模型；
[0061] 步骤二，建立结构CS-APTMD系