安装弹簧-质量系统的tmd最优设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种安装弹簧-质量系统的设计方法，特别涉及一种安装弹簧-质量 系统的TMD (调谐质量阻尼器）最优设计方法。
【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汶川地震、日本地震、雅安地震。这些大地震不 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心里伤害。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 技术有望是实现这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。所以我们在进 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 能的变异以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这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以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以下四类：（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以 改变结构体系的动力特性（如，调谐质量阻尼器（TMD)和多重调谐质量阻尼器（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，一般以被动控制为主，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，这种控制系统充分利用了被动控制与 主动控制各自的优点，既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量，又可以利用主动控制 系统来保证控制效果，例如主被动调谐质量阻尼器（active-passive tuned mass damper， APTMD)〇
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种安装弹簧-质量系统的 TMD(调谐质量阻尼器）最优设计方法。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下述技术方案：一种安装弹簧-质量系统的TMD最 优设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0006] 步骤一，由建筑主结构自身的质量、阻尼和刚度，在单个调谐质量阻尼器的基础 上，在建筑主结构与单个调谐质量阻尼器之间又添加一个小质量块，在建筑主结构质量块 与小质量块之间、小质量块与单个调谐质量阻尼器之间分别添加一个附加弹簧，然后建立 建筑主结构一安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器的力学模型；
[0007] 步骤二，根据建筑主结构动力学原理，对建筑主结构及单个调谐质量阻尼器、小质 量块进行受力分析，建立建筑主结构一安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器的动力方 程；
[0008] 步骤三，对比单个调谐质量阻尼器，对安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器进 行振动控制的优化设计；
[0009] 步骤四，通过比较建筑主结构，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，参照原建筑主结构的参数设计新型安装弹簧-质量系统的调谐质量阻 尼器。
[0010] 优选地，所述步骤一建立建筑主结构一安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器的 力学模型的过程如下：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 C s和刚度k s，将单个调谐质量阻尼器装置在建筑主结构上，在建筑主结构与单个调谐质量 阻尼器之间又添加一个小质量块，在建筑主结构质量块与小质量块、小质量块与单个调谐 质量阻尼器之间分别添加刚度为k tl、kt2的附加弹簧；以此构成建筑主结构一安装弹簧-质 量系统的调谐质量阻尼器。
[0011] 优选地，所述所述步骤二建立建筑主结构一安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼 器的动力方程表不为如下式：
[0012]
[0013]
[0014]
[0015] 式中，之⑴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τ为调 谐质量阻尼器相对于建筑主结构的位移；yt为小质量块相对于建筑主结构的位移；ms、cjP ks分别为建筑主结构的受控振型质量、阻尼和刚度；m T、cdP k τ分别为调谐质量阻尼器质 量、阻尼和刚度；为小质量块质量；ktl为建筑主结构与小质量块之间添加的附加弹簧的刚 度；k t2为小质量块与调谐质量阻尼器之间添加的附加弹簧的刚度。
[0016] 优选地，所述步骤三对安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器进行振动控制优化 设计的内容如下：
[0017] 建筑主结构一安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器的位移（ys)动力放大系数 为如下式：
[0018]
[0019] 调谐质量阻尼器冲程（yT)的动力放大系数为如下式：
[0020]
[0021] 小质量块冲程（yt)的动力放大系数为如下式：
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[0045] 式中：λ为建筑主结构的频率比；fT为调谐质量阻尼器的频率比；f t为建筑主结 构与小质量块之间附加弹簧的频率比；ξ s为建筑主结构的阻尼比；ξ τ为调谐质量阻尼器 的阻尼比；1^为调谐质量阻尼器与建筑主结构的质量比；μ t为小质量块与建筑主结构的 质量比；η为小质量块与调谐质量阻尼器的质量比；β为附加弹簧kt2与附加弹簧ktl的刚 度比；
[0046] 优化过程中，根据实际工程，设定λ、μτ、η、ξ τ的值，对fT、仁进行参数优化。
[0047] 优选地，所述步骤四中，定义最优参数评价准则：设置安装弹簧-质 量系统的调谐质量阻尼器的结构最大动力放大系数的最小值的最小化，即 仏、二, 越小，则调谐质量阻尼器振动控制有效性就越佳； 利用基因遗传算法进行参数优化，并与调谐质量阻尼器进行比较。
[0048] 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安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器，优越之处在于能 够在少量增加控制装置质量块整体质量下有效地控制地震作用下结构的位移响应，且优于 调谐质量阻尼器。
【附图说明】
[0049] 图1是安装弹簧-质量系统的TMD (调谐质量阻尼器）最优设计方法的流程图；
[0050] 图2是安装弹簧-质量系统的模型示意图；
[0051] 图3是弹簧-质量系统的fT随ξ /变化关系曲线示意图；
[0052] 图4是弹簧-质量系统的仁随ξ /变化关系曲线示意图；
[0053] 图5是弹簧-质量系统的、随ξ，变化关系曲线示意图；
[0054] 图6是弹簧-质量系统的随ξ /变化关系曲线示意图；
[0055] 图7是弹簧-质量系统的/H//7〃,随ξ /变化关系曲线示意图。
【具体实施方式】
[0056] 下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步的说明。
[0057] 如图1所示，本发明安装弹簧-质量系统的TMD最优设计方法包括如下步骤：
[0058] 步骤一，由建筑主结构自身的质量ms、阻尼Cs和刚度k s，在单个调谐质量阻尼器 (TMD)的基础上，在建筑主结构与单个调谐质量阻尼器之间又添加一个小质量块，在建筑主 结构的质量块与小质量块之间、小质量块与单个调谐质量阻尼器之间分别添加一个附加弹 簧，然后建立建筑主结构一安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器的力学模型；
[0059] 步骤二，根据建筑主结构动力学原理，对建筑主结构及单个调谐质量阻尼器、小质 量块进行受力分析，建立建筑主结构一安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器的动力方 程；
[0060] 步骤三，对比单个调谐质量阻尼器，对安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器进 行振动控制的优化设计；
[0061] 步骤四，通过比较建筑主结构，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，参照原建筑主结构的参数设计新型安装弹簧-质量系统的调谐质量阻 尼器（TMD)。
[0062] 如图2所示，所述步骤一中建立建筑主结构一安装弹簧-质量系统的调谐质量阻 尼器弹簧-质量系统的力学模型：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，将单个调谐质量阻尼器装置在建筑主结构上，在建筑主结构与单个调 谐质量阻尼器之间又添加一个小质量块，在建筑主结构的质量块与小质量块、小质量块与 单个调谐质量阻尼器之间分别添加刚度为k tl、kt2的附加弹簧；以此构成建筑主结构一安装 弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器弹簧-质量系统。
[0063] 所述步骤二中建立建筑主结构一安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器弹簧-质 量系统的动力方程：分别对建筑主结构、调谐质量阻尼器（TMD)、小质量块（M)进行受力分 析，根据结构动力学理论，列出其动力方程为如下式（1)至（3):
[0064]
[0065]
[0066]
[0067] 式中，为地震地面运动加速度；ys为结建筑主构相对于基底的位移；y τ为调 谐质量阻尼器（TMD)相对于结