结构在地震作用下的振动控制分析与设计

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1、·湖南大学硕士学位论文结构在地震作用下的振动控制分析与设计姓名：张亮亮申请学位级别：硕士专业：固体力学指导教师：唐驾时20070428···硕士学位论文摘要土木工程结构振动控制的研究与应用被认为是结构抗风和抗震研究的重大突破，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的方法发展为由振动控制系统主动或被动的控制结构的动力响应。在众多可用的控制装置中，质量阻尼器（例如TMD和AMD）是最常用的控制装置，它较主动支撑控制系统或半主动刚度系统等其它控制装置而言，有着构造简单、易于维护等特点，特别是对于现存的建筑。本文针对具有Fail-safe的混合质量阻尼器（HMD）进行了控制分析和

2、方案设计，并以某高层钢结构受地震激励为例，进行了仿真分析。首先分析了被动质量阻尼器和主动质量阻尼器的振动控制原理，确定了控制系统最优参数的表达式；介绍了三种最常用的主动控制算法，并依此设计了时间域内的控制律，获得了三种不同形式和大小的控制权矩阵Q和R；在此基础上，编制了地震激励下结构—控制系统时程仿真Matlab语言程序，应用该程序对2种地震波激励下，TMD/MTMD/HMD的振动控制效果进行了分析比较。仿真结果表明，被动控制系统和主动控制系统都能有效地减小结构的地震响应，且HMD系统具有更强的有效性和鲁棒性。最后，采用LQR经典控制算法讨论了作动器出力的优化设计，研究了主动控制力本身

3、的特性，分析了主动控制力对结构特征的影响，解决了时滞对降低主动控制效果的问题。结果表明，主动控制装置实际上是改变了原结构的刚度和阻尼，并为结构采用主动变阻尼或主动变刚度的半主动控制系统代替主动控制系统提供了理论支持。本文在高层建筑抗震的主动控制方面做了两点创新性工作：(1)针对三种不同的主动控制算法，分别设计了其主动控制律，得到了三种不同形式和大小的控制权矩阵Q和R，并依此对某钢结构受地震激励的振动进行了有效的控制，可供类似高层建筑结构进行主动控制分析和设计时参考。(2)采用Benchmark控制系统评价指标分析了HMD系统的主动控制效果；以两组不同的指标衡量了主动最优控制力的方向和大

4、小，得出了控制力与作动器所在结构层的层间位移与层间速度的关系，以及主动最优控制力中弹性力绝对占优的结论，这些在实际应用中是很有意义的。关键词：振动控制；调谐质量阻尼器（TMD/MTMD）；混合质量阻尼器（HMD）；控制算法；Benchmark；时滞···I···结构在地震作用下的振动控制分析与设计AbstractTheresearchandapplicationaboutvibrationcontrolincivilengineeringwereconsideredasagreatprogressforstructuresunderearthquakeandstrongwindexci

5、ta-tion,traditionalseismicdesign,changingarchitecturalcharacteristicitself,hadbeendevelopedintootherusefulmethodstosuppressearthquakeandwindresponses,suchastheactiveorpassivecontrolsystems.MassDampers,suchasTunedMassDamperandActiveMassDamper,werethemostcommonsystemsinallofcontrolsystems.Comparin

6、gtoactivebracesystemsorsemi-activestiffnesssystems,theyweresimplerindesignandmaintainability,especiallyforexistentbuildings.Undertheengineeringbackgroundofahigh-risesteelconstruction,theanalysisanddesignofemployingHybridMassDamperagainstearthquakeexcitationforthisbuildingwerecarriedout.First,byt

7、heanalysisofstructuralcontrolmechanismwithactiveorpassivemassdamper,theformulaforoptimalparameterswasobtainedasaresult.Usingthethreecommonactivecontrolalgorithms,controlstrategiesintimedomainweredesigned,inaddition,therediff