安装弹簧‑质量系统的TMD的优化设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种安装弹簧‑质量系统的TMD的优化设计方法，本发明专利技术包括以下四个步骤：步骤一建立结构—安装弹簧‑质量系统的调谐质量阻尼器系统模型；步骤二建立结构—安装弹簧‑质量系统的调谐质量阻尼器系统和动力学方程；步骤三运用模拟退火算法对安装弹簧‑质量系统的调谐质量阻尼器进行优化计算；步骤四通过比较，选取最优组合参数设计一种安装弹簧‑质量系统的调谐质量阻尼器。本发明专利技术的创新之处在于设计一种适用于所有结构的安装弹簧‑质量系统的调谐质量阻尼器，优越之处在于能够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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种安装弹簧-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。
技术介绍
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。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-passivetunedmassdamper，APTMD)。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术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。为达到上述目的，本专利技术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：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—安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器的力学模型；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—安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器的动力方程；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；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。优选地，所述步骤一建立建筑主结构—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cs和刚度ks，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kt1、kt2的附加弹簧；以此构成建筑主结构—安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器。优选地，所述所述步骤二建立建筑主结构—安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器的动力方程表示为如下式：ms[x··g(t)+y··s]+csy·s+ksys-cTy·T-kTyT-ktyt=0]]>mT[x··g(t)+y··s+y··T]+cTy·T+kTyT+βkt(yT-yt)=0]]>mt[x··g(t)+y··s+y··t]+ktyt-βkt(yT-yt)=0]]>式中，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；yT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、cs和ks分别为建筑主结构的受控振型质量、阻尼和刚度；mT、cT和kT分别为调谐质量阻尼器质量、阻尼和刚度；mt为小质量块质量；kt1为建筑主结构与小质量块之间添加的附加弹簧的刚度；kt2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。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：建筑主结构—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：DMFHs=|ωs2Hs(-iω)X··g|=[R‾e(λ)]2+[I‾m(λ)]2[Re(λ)]2+[Im(λ)]2]]>调谐质量阻尼器冲程(yT)的动力放大系数为如下式：DMFHT=|ωs2HT(-iω)X··g|=[R‾eT(λ)]2+&lsq本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：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—安装弹簧‑质量系统的调谐质量阻尼器的力学模型；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—安装弹簧‑质量系统的调谐质量阻尼器的动力方程；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；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。

【技术特征摘要】
1.一种安装弹簧-质量系统的TMD最优设计方法，其特征在于，包括如
下步骤：
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—安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼
器的力学模型；
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—安装弹簧-质量系统的调谐质量
阻尼器的动力方程；
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；
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。
2.根据权利要求1所述的安装弹簧-质量系统的TMD最优设计方法，其特
征在于，所述步骤一建立建筑主结构—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cs和刚度ks，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kt1、kt2的附加
弹簧；以此构成建筑主结构—安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器。
3.根据权利要求1所述的安装弹簧-质量系统的TMD最优设计方法，其特
征在于，所述步骤二建立建筑主结构—安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器的
动力方程表示为如下式：
ms[x··g(t)+y··s]+csy·s+ksys-cTy·T-kTyT-ktyt=0]]>mT[x··g(t)+y··s+y··T]+cTy·T+kTyT+βkt(yT-yt)=0]]>mt[x··g(t)+y··s+y··t]+ktyt-βkt(yT-yt)=0]]>式中，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；
yT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、cs和ks分别为建筑主结构的受控振型质量、阻尼和刚度；mT、
cT和kT分别为调谐质量阻尼器质量、阻尼和刚度；mt为小质量块质量；kt1为
建筑主结构与小质量块之间添加的附加弹簧的刚度；kt2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。
4.根据权利要求1所述的安装弹簧-质量系统的TMD最优设计方法，其特
征在于，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：
建筑主结构—安装弹簧-质量系统的调谐质量阻尼器的位移动力放大系数为
如下式：
DMFHs=|ωs2Hs(-iω)X··g|=[R‾e(λ)]2+[I‾m(λ)]2[Re(λ)]2+[Im(λ)]2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春祥，曹黎媛，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31