负刚度非线性能量阱减震控制性能的理论与试验研究

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1、广州大学硕士学位论文负刚度非线性能量阱减震控制性能的理论与试验研究专业：建筑与土木工程硕士生：陈凯指导教师：陈洋洋摘要非线性能量阱(Nonlinearenergysink，简称NES)技术是有别于传统质量调谐阻尼器(TMD)技术的附加子结构被动控制技术，其控制原理是通过设置具有强非线性刚度特性的附加子结构，利用非线性系统所特有的模态内共振特性，使子结构对主结构的动力响应形成内共振俘获(Internalresonancecapture)行为，大量吸收主结构响应能量并耗散掉。由于其控制原理不再局限于调谐作用，所以NES具有比TM

2、D更可观的吸振带宽和性能鲁棒性。为研究新的具有强非线性回复力、且对结构地震响应具有更好控制效果的NES，本文提出设置含负刚度特性的NES来实现高效、被动的结构地震响应控制，通过数值模拟和振动台试验相结合的方法进行研究，具体的创新点和工作包括：（1）对非线性能量阱减震控制体系的数值算法进行研究，为NES的数值仿真提供算法上的支持。基于数值小波变换，研究构造响应能量功率谱的算法，为分析NES在宽频域上形成靶向能量传递的机理提供了一种简单有效的分析方法。（2）针对典型分析模型，分别对采用负刚度NES、立方NES和TMD控制方式的装

3、置参数进行数值寻优，对各优化的减震控制性能进行比较分析。结果表明：负刚度NES减震控制性能全面优于已有的立方NES，对主结构动力特性变化的鲁棒性优于TMD，对地震动峰值变化的鲁棒性与TMD相当。（3）为了深入分析负刚度NES的减震控制机理，应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱时频域分析，揭示了在地震作用过程中，负刚度NES总体上对主结构产生更为显著、更为持续的瞬时内共振俘获行为，因而其减震效率较高，且由于这种瞬时内共振俘获是在多频域上同时展开的，特别是其瞬时次谐波内共振俘获行为对主结构基频的改变并不敏感，使其减震控

4、制性能具有强鲁棒性。（4）研究摩擦阻尼对负刚度NES减震控制性能的影响，包括体系质量比、地震动I负刚度非线性能量阱减震控制性能的理论与试验研究记录峰值以及摩擦系数的影响。结果表明：摩擦型负刚度NES的减震控制性能基本保持与粘滞型负刚度NES相当。体系质量比、地震动峰值、摩擦系数的合理选取可使摩擦型负刚度NES具有较好的减震控制性能。（5）研究附加碰振装置对负刚度NES减震控制性能的影响，包括对负刚度NES控制体系的地震响应和减震控制鲁棒性的影响，并分析不同碰振装置材料对碰振型负刚度NES减震性能的影响。结果表明：在最优参数控

5、制下，附加碰振装置可提高负刚度NES的减震控制性能。（6）对负刚度NES装置模型进行设计制作，并分别对设置负刚度NES的单层和四层钢框架模型进行振动台试验。基于试验数据，对负刚度NES的减震控制性能及其影响因素进行分析。最后，通过试验结果与数值仿真的对比，验证理论分析的合理性。关键词：非线性能量阱；内共振俘获；负刚度；减震控制性能；振动台试验II广州大学硕士学位论文TheoreticalandExperimentalStudyonSeismicControlPerformanceofNonlinearEnergySinkwi

6、thNegativeStiffnessMajor:ArchitecturalandCivilEngineeringName:CHENKaiSupervisor:CHENYang-yangAbstractThenonlinearenergysink(NES)isapassivecontroltechnologyofadditionalsubstructure,whichisdifferentfromthetraditionaltunedmassdamper(TMD)technology.Itscontrolprinciplei

7、sbysettinganadditionalsubstructurewithstrongnonlinearstiffnesscharacteristics,andusingtheintrinsicresonantcharacteristicsofthenonlinearsystemtomakethedynamicresponseofsubstructuretomainstructurethroughtheinternalresonancecapture,soalargeamountenergyofmainstructurei

8、sabsorbedbysubstructureanddissipated.NEShasamuchmoreattractivebandwidthforvibrationabsorptionandstrongerrobustnessthanTMDSinceitscontrolprinciple