偏心结构基于EIMD的半主动控制研究

发布时间：2020-03-25 23:44

【摘要】：在地震作用下,偏心结构由于质心和刚心不重合,导致作用在质心的惯性力对刚心产生扭矩,结构发生扭转耦联振动,并产生较大的扭转变形。震灾经验表明,地震作用下的扭转耦联振动已经成为破坏结构的主要因素。传统抗震方法采用结构自身承重构件来减小结构的振动响应,而结构振动控制技术则采用非承重构件的控制装置来减小地震动对结构的损害。由于传统方法的局限性大且效果差,结构振动控制技术逐渐成为了人们的研究重点。经过多年的发展,结构振动控制技术总体上可以分为四部分,即:被动控制、主动控制、半主动控制和智能控制。相比于其他控制技术,半主动控制具有造价低、效果好、易实现并且可以在外界提供较少能源的情况下产生很好地控制效果。因此,研究偏心结构的半主动控制在结构抗震领域具有重要的意义。电磁惯性质量阻尼器(Electromagnetic Inertial Mass Damper,EIMD)相比于传统阻尼器具有机械转化率高、摩阻力小、维护方便、系统寿命长、对环境的污染小等优点,在近年来得到了广泛的关注。另外,通过改变EIMD终端电阻可以控制其电磁阻尼力的变化,因此也可以将EIMD作为半主动控制装置使用。本文结合新型电磁惯性质量阻尼器,提出了基于LQR控制算法的半主动控制系统。为了提高阻尼器的控制效率以及降低成本,研究了偏心结构基于遗传算法合理布置EIMD的位置和数量的方法。最后为了减少用来检测结构振动状态传感器的数量,采用LQG主动控制算法结合半主动控制策略对偏心结构基于遗传算法的EIMD优化配置计算结果进行了分析。主要研究内容如下:(1)阐述了EIMD的基本工作原理及其力学性能,介绍了缩尺和全尺两种规格EIMD的基本构造及其参数,得出了阻尼器的终端阻尼和阻尼力的关系。以一个装有EIMD的三层结构结合缩尺EIMD为例,验证该阻尼器的减震性能。结果表明,EIMD在外接电阻较小时控制效果明显好于电阻较大时,说明了该阻尼器具有良好的减震性能,同时也表明了EIMD可以被用作半主动控制装置。(2)以一个24层偏心结构为例,采用基于LQR主动控制算法的半主动控制方法来实现偏心结构基于EIMD的半主动控制。然后对偏心结构分别输入两种不同地震波,以验证该方法的稳定性。仿真结果表明,不同地震波作用下偏心结构基于LQR算法的半主动控制对结构的位移、转角、加速度和转角加速度时程响应峰值相比于无控均有明显的抑制,证明了半主动控制策略的有效性和稳定性。(3)为了降低成本以及提高EIMD阻尼器的控制效率,研究了偏心结构基于遗传算法合理布置EIMD控制系统位置和数量的方法。对优化配置不同数量EIMD的偏心结构进行了半主动控制分析,对比了各种数量的减震系统对结构的控制效果,仿真试验结果验证了遗传算法的有效性。(4)为了避免在结构中安装过多的传感器,采用LQG主动控制算法结合半主动控制策略对偏心结构基于遗传算法的EIMD优化配置理论计算结果进行分析。仿真结果表明,该方法能够较为准确的估计出结构运动状态,其控制效果接近于LQR控制方法。
【图文】：

实例图,不规则结构,实例

反应[7]。图 1.1（b）为中央电视台总部大楼，该项目两座塔楼向内倾斜，顶部由悬臂结构连为一体。整个结构受力极其复杂，，全楼先天性倾覆力巨大，抗冲击破环能力较差[8]。图 1.1（c）为广州电视新塔，该结构由上下两个椭圆扭转在腰部收缩变细，中部最细处的面积与底面和顶部的对比差异较为突出。由于椭圆形不断地旋转，其质量与刚度的分布不均匀[9]。图 1.1（d）为望京 SOHO 中心，该楼平面形状不规则，外形形似鱼状，且由下往上沿竖向层层收进[10]。（a）上海中心大厦（b）中央电视台总部大楼

实例图,震害,实例

1 绪论山墙的一端，框架远离刚度中心，在地震中因扭转引起的过大层间位移而折断。图 1.2（d）为一幢五层的框架剪力墙结构，由于剪力墙位置不对称，在阿拉斯加地震中发生扭转振动，导致大块楼板坠落，部分梁柱断裂，楼层局部发生倒塌[11]。（a）高层建筑结构扭转破坏（b）台湾集集地震九层建筑震害
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU352.1

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