基于阻尼连接的增强型主动调谐质量阻尼器优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于阻巧连接的增强型主动调谐质量阻巧器值amp based Enhanced Active I\med Mass Dampers, DEATMD)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] ±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 巧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，安装于其上的该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，质量调谐阻巧器在国内外一些重要建筑物上的应用更为 广泛。例如：上海中屯、大厦的摆式电祸流调谐质量阻巧器；上海环球金融中屯、两台150吨的 风阻巧器；台北101大厦的摆动TMD系统等。
[0005] 目前建筑物上应用较为广泛的主要有被动调谐质量阻巧器（TMD)和主动调谐质 量阻巧器（ATMD)。值得注意的是，TMD只有当其频率被调谐至结构受控频率且外激励覆盖 该个频率成分时才能充分发挥控制的有效性。一旦TMD发生失调，其控制有效性将明显下 降。被动控制不需要外部能源、技术简单、造价低、性能可靠，但减振效果有限。而在目前的 技术水平下，纯主动控制由于需要不断从外界输入大量的能量，控制系统的设置技术复杂、 费用昂贵，在实际工程中的应用受到了明显的限制。针对该些缺陷，主动调谐质量阻巧器 (ATMD)应运而生。作为主动控制装置，ATMD具有良好的控制效果，而所需能源远小于纯主 动控制装置。
【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基于阻巧连接 的增强型主动调谐质量阻巧器优化设计方法，其能够在保证振动控制有效性不变或略有提 高的基础上，显著地降低冲程（相对于ATMD可W减小约50% )，同时有效地控制地震作用 下结构的位移响应。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用如下述技术方案；一种基于阻巧连接的增强型 主动调谐质量阻巧器优化设计方法，其特征在于，其包括如下步骤；
[000引步骤一，在传统ATMD的基础上，在ATMD质量块与地面之间添加一个附加阻巧器， 把附加阻巧器的阻巧记为Cii.
[0009] 步骤二，根据结构动力学原理，对结构及主动调谐质量阻巧器进行受力分析，建立 结构一DEATMD系统的动力方程；
[0010] 步骤S，对比传统的主动调谐质量阻巧器，对基于阻巧连接的增强型主动调谐质 量阻巧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新型基于阻巧连接的增强型主动调谐质量阻巧 器。
[0012] 优选地，所述步骤一中建立结构一DEATMD系统的力学模型；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和刚度，将ATMD装置在结构上，再将ATMD质量块与 地面之间连接一个阻巧为fr,的附加阻巧；W此构成结构一DEATMD系统。
[0013] 优选地，所述步骤二建立结构一DEATMD系统的动力方程表示为下式：
[0017] 式中，.r,(〇为地震地面运动加速度；ys为结构相对于基底的位移；y,为结构相对 于基底的速度；为结构相对于基底的加速度；yi为ATMD质量块相对于结构的位移； 为ATMD质量块相对于结构的速度；j'r为ATMD质量块相对于结构的加速度；nis、Cs和k S分 别为结构的受控振型质量、阻巧和刚度；m,、句和k,分别为ATMD的质量、阻巧和刚度；。:为 附加阻巧的刚度；UT(t)为主动控制力，采用闭环控制的形式；wr为主结构加速度的反馈增 益系数；Ct'、At分别为ATMD速度和位移的反馈增益系数。
[0018] 优选地，所述步骤=中对基于阻巧连接的增强型主动调谐质量阻巧器进行振动控 制的优化设计为如下内容：
[0019] 结构一DEATMD系统的位移动力放大系数如下式；
[002引式中：入为主结构的频率比审为ATMD的频率比；C S为主结构的阻巧比；奋1为 ATMD的阻巧比；各。为附加阻巧的阻巧比；y为ATMD与结构的质量比；a为结构的标准化 加速度反馈增益系数。
[0024] 优选地，所述步骤四中定义最优参数评价准则；设置基于阻巧连接的增强型主动 调谐质量阻巧器的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ATMD进行比较。
[0025] 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；本发明方法 设计一种适用于所有结构的新型基于阻巧连接的增强型主动调谐质量阻巧器，优越之处在 于；相对于传统的ATMD，能够在保证振动控制有效性不变或略有提高的基础上，显著地降 低冲程（相对于ATMD可W减小约50% )，同时有效地控制地震作用下结构的位移响应。
【附图说明】
[0026] 图1是基于阻巧连接的增强型主动调谐质量阻巧器值EATMD)设计分析过程图；
[0027] 图2是基于阻巧连接的增强型主动调谐质量阻巧器值EATMD)系统模型；
[002引图3是采用遗传算法优化的流程图；
[0029]图4是a=4时，ATMD、DEATMD对应不同的y时CMFhs随各。变化关系曲线；
[0030] 图5是a = 4时，ATMD、DEATMD对应不同的y时随各'。变化关系曲线；
[003U 图6是a = 4时，ATMD、DEATMD对应不同的y时各，随备。变化关系曲线；
[003引 图7是a = 8时，ATMD、DEATMD对应不同的y时随各。变化关系曲线； [003引 图8是a = 8时，ATMD、DEATMD对应不同的y时随备/变化关系曲线；
[0034] 图9是a= 8时，ATMD、DEATMD对应不同的y时每随爲变化关系曲线；
[003引 图10是a = 4时，ATMD、DEATMD对应不同的y时OM/古^随备。变化关系曲线；
[0036] 图11是a = 8时，ATMD、DEATMD对应不同的y时OMFw,随毎变化关系曲线。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步的说明。
[003引如图1所示，本发明基于阻巧连接的增强型主动调谐质量阻巧器优化设计方法包 括如下步骤：
[0039] 步骤一，在传统ATMD的基础上，在ATMD质量块与地面之间添加一个附加阻巧器， 把附加阻巧器的阻巧记为Cr,。然后建立结构一DEATMD系统的力学模型；
[0040] 步骤二，根据结构动力学原理，对