串并联调谐质量阻尼器最优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种串并联调谐质量阻尼器（Double-Series-Parallel Tuned Mass Dampers，DSPTMD)最优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 地震是一种常见且又突发的自然灾害，至今预见性仍然很低，且分布广泛、破坏严 重，一旦发生将给人类造成非常严重的损失。地震除了导致房屋破坏和倒塌、人员伤亡等直 接影响外，还会引发火灾和疾病等次生灾害，造成巨大的安全隐患和经济损失。我国是世界 上遭受地震灾害最严重的国家之一。
[0003] 土木工程结构振动控制的研究和应用被认为是结构抗风抗震研究领域的重大突 破。它突破了传统的结构设计方法，即使仅依靠改变结构自身性能例如增加结构的刚度、阻 尼和改变质量分布等来抵抗环境荷载（例如强风和强震）的方法发展为由结构一抗风抗震 振动控制系统主动地控制结构的动力反应。1972年，美籍华裔学者姚治平首先系统地提出 了结构主动控制概念。他建议应用经典或现代控制理论，在结构上安装一些控制系统。结构 在风与地震作用下，安装于其上的这些控制系统产生控制力，能显著降低结构的动力响应。 结构振动控制根据是否需要外界能源，一般分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控 制四类。
[0004] 结构智能化是建筑智能化的重要组成部分。而结构智能化最主要的是其对自然灾 害（例如强风与强震）的防御能力。实时测量和监控结构的灾害响应，探测结构的损伤和 屈服，经计算机在线处理的伺服系统自动向结构实施控制力。结构振动控制技术为现存抗 风抗震能力和耐久性不足建筑物的修复和改造提供了可行的和彻底的解决方法，也为未来 建筑结构基于性能化的抗震设计提供了可行的方法。在结构振动控制的各分支中，质量调 谐减振技术是一种相对成熟的技术，因其具有对控制元件要求低，可直接安装于建筑结构， 无需修改结构设计就能适用于已有建筑等一系列的特点，在高层建筑、高耸结构、大跨度桥 梁中获得了广泛的应用。近年来，质量调谐阻尼器在国内外一些重要建筑物上的应用更为 广泛。例如：上海中心大厦的摆式电涡流调谐质量阻尼器；上海环球金融中心两台150吨的 风阻尼器；台北101大厦的摆动TMD (Tuned Mass Dampers，调谐质量阻尼器）系统等。
[0005] TMD作为一种世界范围内公认的高性能减振设备已经得到了十分深入透彻的研 究。但是TMD存在的两大主要问题是：第一，只有当TMD的自振频率与结构自身自振频率一 致或接近时，TMD的振动控制效果才会达到最佳状态，而实际工程中由于施工的原因或者外 界环境的影响会导致TMD的自振频率达不到预期状态，导致失谐。同时TMD只能在有限的 频带宽范围内进行制振，针对近场地震效果不佳；第二，TMD质量块的冲程过大，当质量块 进行调谐减振时很容易与上部结构发生碰撞，影响了实际工程的应用。目前，国内外学者的 主要研究思路之一就是发明设计一种新的振动控制装置，同时兼顾有效性和冲程问题，实 现建筑结构的减振制振。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种串并联调谐质 量阻尼器最优化设计方法，相对于TMD而言，通过调整两个质量块之间的比值可以实现有 效性的大幅度提升；同时在一定的质量比范围内，DSPTMD的冲程可以大幅度降低，同时有 效地控制地震作用下结构的位移响应。相对于DPTMD而言，DSPTMD在有效性略有提升的基 础上可以大幅度降低阻尼，同时在两个质量块之比处于某一范围内时可以继续降低冲程， 实现最优控制。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用如下述技术方案：一种串并联调谐质量阻尼器 优化设计方法，其特征在于，其包括如下步骤：
[0008] 步骤一，建立串并联调谐质量阻尼器的模型，具体过程如下：在传统TMD -个第一 质量块的基础上，增加一个第二质量块，并与其平行安装，分别采用弹簧和阻尼器将第一质 量块和第二质量块连接在建筑主结构上，构成由第一质量块和第二质量块组成的并联调谐 质量阻尼器，在并联调谐质量阻尼器的基础上，在第一质量块和第二质量块之间再连接一 个阻尼器，其阻尼记为cT，构成串并联调谐质量阻尼器；
[0009] 步骤二，根据结构动力学原理，对建筑主结构及串并联调谐质量阻尼器进行受力 分析，建立建筑主结构一DSPTMD系统的动力方程；
[0010] 步骤三，对比TMD、并联调谐质量阻尼器DPTMD，对串并联调谐质量阻尼器进行振 动控制的优化设计；
[0011] 步骤四，通过参考优化结果，考虑控制的有效性和阻尼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串并联调谐质量阻尼器。
[0012] 优选地，所述步骤一中建立建筑主结构一DSPTMD系统的力学模型：将建筑主结构 作为一个单自由度质点，根据其材料特点确定其阻尼和刚度，在传统TMD -个第一质量块 的基础上，增加一个第二质量块，并与其平行安装，分别采用弹簧和阻尼器将第一质量块和 第二质量块连接在建筑主结构上，构成由第一质量块和第二质量块组成的并联调谐质量阻 尼器；在并联调谐质量阻尼器的基础上，在第一质量块和第二质量块之间再连接一个阻尼 器，其阻尼记为cT，构成串并联调谐质量阻尼器，即建筑主结构一DSPTMD系统。
[0013] 优选地，所述步骤二建立建筑主结构一DSPTMD系统的动力方程表示为下式：
[0017] 式中，4⑴为地震地面运动加速度；ys为建筑主结构相对于基底的位移；Λ为建 筑主结构相对于基底的速度；Λ为建筑主结构相对于基底的加速度；yi、72为TMD1、TMD2 质量块相对于建筑主结构的位移；丸、九为TMD1、TMD2质量块相对于建筑主结构的速度； li、鳥为ATMD质量块相对于建筑主结构的加速度；ms、cJPks分别为建筑主结构的受控振 型质量、阻尼和刚度cdP k i分别为TMD1的质量、阻尼和刚度；m 2、〇2和k 2分别为TMD2 的质量、阻尼和刚度；cT为连接第一质量块和第二质量块的阻尼。
[0018] 优选地，所述步骤三中对串并联调谐质量阻尼器进行振动控制的优化设计为如下 内容：
[0019] 建筑主结构一DSPTMD系统的位移动力放大系数如下式：
[0021] TMD1冲程的动力放大系数为如下式：
[0023] TMD2冲程的动力放大系数为如下式：
[0026] 式中：λ为建筑主结构的频率比；动力放大系数由假定建筑主结构遭受简谐外激 励时求得，将外激励荷载表示为.;^0):=[尤,卜/_?')_丨^_"'，~ =队(-1￥)]61'^，71=[!11(-1￥)] iwt 「ττ / · 、? iwt e ，y2= LH2(_iw)」e 。
[0027] 优选地，所述步骤四中定义最优参数评价准则：设置串并联调谐质量阻尼器的建 筑主结构最大动力放大系数的最小值的最小化；利用遗传算法进行参数优化，并与TMD、 DPTMD进行比较。
[0028] 与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：相对于TMD 而言，通过调整两个质量块之间的比值可以实现有效性的大幅度提升；同时在一定的质量 比范围内，DSPTMD的冲程可以大幅度降低，同时有效地控制地震作用下建筑主结构的位移 响应。相对于DPTMD而言，DSPTMD在有效性略有提升的基础上可以大幅度降低阻尼，同时 在两个质量块之比处于某一范围内时可以继续降低冲程，实现最优控制。
【附图说明】
[0029] 图1是串并联调谐质量阻尼器（DSPTMD)设计分析过程图；
[0030] 图2是串并联调谐质量阻尼器（DSPTMD)系统模型的示意图；
[0031] 图3是采用遗传算法优化的流程图；
[0032] 图4是μ = 0· 01时，TMD、DPTMD、DSPTMD对应不同的η时变化关系曲线 的不意图；
[0033] 图5是μ = 0. 01时，DPTMD、DSPTMD对应不同的η时匕的变化关系曲线的示意 图；
[0034] 图6是μ = 0. 01时，DPTMD、DSPTMD对应不同的η时&的变化关系曲线的示意 图；
[0035] 图7是μ = 0. 01时，DPTMD、DSPTMD对应不同的η时ξ i的变化关系曲线的示 意图；
[0036] 图8是μ = 0. 01时，DPTMD、DSPTMD对应不同的η时ξ 2的变化关系曲线的示 意图；
[0037] 图9是μ = 0. 01时，DSPTMD对应不同的η时ξ τ的变化关系曲线的示意图；
[0038] 图10是μ = 0· 01时，TMD、DPTMD、DSPTMD对应不同的η时变化关系曲线 的不意图；
[0039] 图11是μ = 0. 01时，TMD、DPTMD、DSPTMD对应不同的η时变化关系曲线 的示意图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步的说明。
[0041] 如图1所示，本发明串并联调谐质量阻尼器优化设计方法包括如下步骤：
[0042] 步骤一，建立串并联调谐质量阻尼器的模型（即建筑主结构一DSPTMD系统模型）， 具体过程如下：在传统TMD -个第一质量块ml的基础上，增加一个第二质量块m2,并与其 平行安装，分别采用弹簧和阻尼器将第一质量块ml和第二质量块m2连接在建筑主结构上， 构成由两个质量块（第一质量块ml和第二质量块m2)组成的并联调谐质量阻尼器。在并 联调谐质量阻尼器的基础上，在两个质量块（第一质量块ml和第二质量块m2)之间再连接 一个阻尼器，其阻尼记为cT，构成串并联调谐质量阻尼器。
[0043] 步骤二，根据结构动力学原理，对建筑主结构及串并联调谐质量阻尼器进行受力 分析，建立建筑主结构一DSPTMD系统的动力方程；
[0044] 步骤三，对比TMD、并联调谐质量阻尼器DPTMD，对串并联调谐质量阻尼器进行振 动控制的优化设计；
[0045] 步骤四，通过参考优化结果，考虑控制的有效性和阻尼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串并联调谐质量阻尼器。
[0046] 如图2所示，所述步骤一中建立结构一DSPTMD系统的力学模型：将建筑主结构作 为一个单自由度质点，根据其材料特点确定其阻尼和刚度，在传统TMD -个第一质量块ml 的基础上，增加一个第二质量块m2,并与其平行