顶部带双向VFPS-TMD系统的高耸结构风振控制效益分析与优化设计
发布时间：2020-08-20 20:10
【摘要】：高耸结构高宽比大、细柔而轻质、阻尼较小,自身的固有频率与强风的卓越频率相近,对风荷载极其敏感,在风荷载作用下结构侧移和加速度明显增大,风荷载成为控制其结构设计的主要荷载。为了防止高耸结构在风荷载作用下产生过大的侧移和加速度,提高结构的安全和舒适度,本文将双向变摩擦摆调谐质量阻尼器(双向VFPS-TMD)系统置于高耸结构顶部,来实现对结构进行风振控制。同时为了使TMD系统的风振控制性能达到最佳,本文利用自适应遗传算法对其参数进行最优化分析。本文的主要研究内容如下所示:建立和推导了顶部带双向VFPS-TMD系统的高耸结构,在风荷载作用下的动力方程并给出了利用状态空间法求解该动力方程的大致流程。在对广州新电视塔三维有限元模型进行了简化的基础上,利用谐波叠加法和准定常假设,结合风洞试验的研究成果,通过数值模拟的方法得到广州新电视塔90度风向角的顺风向风荷载时程,验证分析了顶部带双向VFPS-TMD系统的高耸结构风振控制性能。在不同重现期风荷载作用下,分析了主体结构不同阻尼比、主体结构与控制系统不同质量比、不同定摩擦系数以及不同摩擦模型下,双向VFPS-TMD系统的风振控制效益。分析结果表明,选用在通过经验选取的设计参数条件下,顶部带双向VFPS-TMD系统的广州塔简化模型,在100年重现期风荷载作用下,其结构顶层X、Y方向位移均方根减振效率最高分别可达45.6%、52.6%,在10年重现期风荷载作用下,其结构顶层X、Y方向加速度均方根减振效率最高分别可达41.6%、41.8%。通过双向摩擦力滞回曲线图和相同设计参数下的位移、加速度时程图及统计结果进行对比,分析了定摩擦和变摩擦模型双向FPS-TMD系统的耗能减振机理。通过以广州新电视塔简化模型顶部有无设置双向VFPS-TMD系统的主体结构顶部风致位移或风致加速度均方根之比最小,作为风振控制优化设计的目标函数。采用自适应遗传算法,利用最优保存策略、自适应交叉和变异算子,采用自适应罚函数,对被控制系统的风致层间位移约束、顶层风致位移和顶层风致加速度响应约束条件进行处理,从而对双向VFPS-TMD系统的滑道摩擦系数变化率(摩擦系数)、滑道两个方向的半径这三个参数,进行最优化分析。并将优化结果与基本遗传算法的优化结果相对比以验证其正确性。同时研究了惩罚函数中位移约束条件和加速度约束条件惩罚力度不同时,对双向VFPS-TMD系统参数优化设计结果的影响。综合分析表明,双向VFPS-TMD系统可以有效地减少高耸结构在风荷载作用下产生的风致振动响应对其进行风振控制,通过自适应遗传算法可以得到系统的最佳参数,使系统的减振性能得到最大程度的发挥,与此同时双向VFPS-TMD系统具有良好的稳定性和自复位、自限位功能。因此,双向VFPS-TMD系统确实为一种有效的被动减振装置。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU973.32
【图文】：
材料的出现和施工工艺的迅速提升，各类造型新颖、独特的建筑如雨现，地标的角逐也日益激烈起来，与此同时城市的面貌因此而发生了。标不断被刷新时，各类高层、高耸建筑应运而生，陆续被修建而充满如图 1-1 所示，有已经完工高达 632 米的上海中心大厦、高达 600 米、高达 600 米的深圳平安金融中心和正在修建的高达 636 米的武汉绿刷新着建筑的高度，已经或即将成为该城市的新地标。（a）上海中心大厦 （b）广州新电视塔
1969 年 3 月，英国约克郡一高为 386 米的 Ernley Morr 钢管电视桅杆倒塌；1985年，前联邦德国 Bielsterin 一高 298 米的无线电视桅杆倒塌；1991 年，645 米高的波兰华沙无线电天线桅杆倒塌；1996 年 9 月 9 日，强台风 莎莉 把湛江至茂名的 22 万伏高压输电塔拦腰折断。因此强风荷载对建筑结构产生的极大破坏力，需引起高度重视。图 1-2，为一些风灾发生后的现场图。高层、高耸建筑结构高宽比大、细柔而轻质为风敏感性建筑，致使风荷载成为其结构设计的主要控制因素。（a）被风荷载破坏的塔架 （b）被风荷载破坏的看台
（a）TMD 控制系统 （b）常见支撑式 TMD （c）台北 101 摆式 TMD图 1-4 各类 TMD 系统为使 TMD 系统更好的发挥减振效果，通常将其安装在被控结构位移相对较大的楼层或直接安置在顶层。它的减振机理是：当受控结构受到外部激励作用而产生振动时，带动 TMD 系统一同运动从而产生一个惯性力反向作用于被控结构上，调谐这个力让其对被控结构的振动产生抑制作用而减弱被控结构的振动，同时 TMD 系统的阻尼元件亦会消耗能量，而达到振动控制的目的。TMD 系统的运动能够耗散能量进行振动控制，主要是通过准确调频[6]。它通过调整弹簧和阻尼元件的参数，使其频率与被控结构的固有频率相对应而进行调谐，对于高耸结构，一般来说控制的是结构的第一振型[7]，故此时被控结构的固有频率对应为结构的第一阶频率，通常将 TMD 系统的频率调至接近此频率时控制效果最好。TMD系统的质量块一般来说越重越好，但考虑到经济和空间问题，一般取结构控制振型广义质量的 0.3%~5%，质量块可用铁块、铅块或者制冷系统，也可采用消防水箱此时称作调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Damper，简称 TLD），广州新电视塔即采用 TLD 作为振动控制手段。如图 1-5 所示，为广州新电视塔采用的 TLD 系统。从上可以看出
本文编号：2798391
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU973.32
【图文】：
材料的出现和施工工艺的迅速提升，各类造型新颖、独特的建筑如雨现，地标的角逐也日益激烈起来，与此同时城市的面貌因此而发生了。标不断被刷新时，各类高层、高耸建筑应运而生，陆续被修建而充满如图 1-1 所示，有已经完工高达 632 米的上海中心大厦、高达 600 米、高达 600 米的深圳平安金融中心和正在修建的高达 636 米的武汉绿刷新着建筑的高度，已经或即将成为该城市的新地标。（a）上海中心大厦 （b）广州新电视塔
1969 年 3 月，英国约克郡一高为 386 米的 Ernley Morr 钢管电视桅杆倒塌；1985年，前联邦德国 Bielsterin 一高 298 米的无线电视桅杆倒塌；1991 年，645 米高的波兰华沙无线电天线桅杆倒塌；1996 年 9 月 9 日，强台风 莎莉 把湛江至茂名的 22 万伏高压输电塔拦腰折断。因此强风荷载对建筑结构产生的极大破坏力，需引起高度重视。图 1-2，为一些风灾发生后的现场图。高层、高耸建筑结构高宽比大、细柔而轻质为风敏感性建筑，致使风荷载成为其结构设计的主要控制因素。（a）被风荷载破坏的塔架 （b）被风荷载破坏的看台
（a）TMD 控制系统 （b）常见支撑式 TMD （c）台北 101 摆式 TMD图 1-4 各类 TMD 系统为使 TMD 系统更好的发挥减振效果，通常将其安装在被控结构位移相对较大的楼层或直接安置在顶层。它的减振机理是：当受控结构受到外部激励作用而产生振动时，带动 TMD 系统一同运动从而产生一个惯性力反向作用于被控结构上，调谐这个力让其对被控结构的振动产生抑制作用而减弱被控结构的振动，同时 TMD 系统的阻尼元件亦会消耗能量，而达到振动控制的目的。TMD 系统的运动能够耗散能量进行振动控制，主要是通过准确调频[6]。它通过调整弹簧和阻尼元件的参数，使其频率与被控结构的固有频率相对应而进行调谐，对于高耸结构，一般来说控制的是结构的第一振型[7]，故此时被控结构的固有频率对应为结构的第一阶频率，通常将 TMD 系统的频率调至接近此频率时控制效果最好。TMD系统的质量块一般来说越重越好，但考虑到经济和空间问题，一般取结构控制振型广义质量的 0.3%~5%，质量块可用铁块、铅块或者制冷系统，也可采用消防水箱此时称作调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Damper，简称 TLD），广州新电视塔即采用 TLD 作为振动控制手段。如图 1-5 所示，为广州新电视塔采用的 TLD 系统。从上可以看出
【参考文献】
相关博士学位论文 前1条
1 吴本刚;格构式塔架结构基于线性与几何非线性分析的抗风优化设计方法研究[D];广州大学;2016年
本文编号：2798391
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