基于可控沖程的主被動調諧質量阻尼器設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種基于可控沖程的主被動調諧質量阻巧器（Active-passive化ned massdamperwithcontrolledstroke，CS-APTMD)設計方法。
【背景技術】
[0002] 地震作為嚴重威脅人類生命財產安全的自然災害，給人類造成了巨大的災害，是 眾多地震多發國之一，例如近幾年來發生的漢川地震、日本地震、雅安地震。該些大地震不 僅造成了重大的經濟損失，還給人們帶來了巨大的悲痛和嚴重的屯、里傷害。21世紀，隨著世 界經濟的高速發展，人們對工程結構的安全性和防災性提出了越來越高的要求，要求工程 結構在自然災害（例如強震和臺風）突發時能不被破壞，而且要求工程結構在其作用下能 夠無受損傷。于是我們對工程結構的防災減災提出了一些革命性的要求，而結構振動控制 技術有望是實現該一防災減災革命性要求的根本途徑。傳統的結構抗震設計一般是通過增 強建筑結構自身的強度與剛度來抵抗外荷載的作用，從而達到抗震的效果。所W我們在進 行抗震設計時，首先需要準確估計結構所要承受的外部荷載、把握所用材料的特性，并且需 要選擇合理的設計及分析方法。但是地震荷載的高度不確定性、材料的非線性和使用時性 能的變異W及現有結構分析和設計方法的局限性使得結構存在不滿足使用功能和安全的 要求的可能性。考慮到傳統結構抗震設計方法的局限性，業界學者們開始對此不斷探求新 的方法，結構振動控制的設計方法就是在該種情況下產生并發展的。
[0003] 結構振動控制是通過采取一定的控制措施W調整建筑結構自身的動力特性或是 通過施加外部能量來抵消外荷載作用，從而達到抗震減災性能。根據是否需要外界能源， 結構控制一般可分為W下四類；（1)被動控制系統，一種不需要外部能源的結構控制技術， 一般是指在結構的某個部位附加一個子系統，或對結構自身的某些構件做構造上的處理W 改變結構體系的動力特性（如，調諧質量阻巧器（TMD)和多重調諧質量阻巧器（MTMD)); (2)主動控制系統，一種需要外部能源的結構控制技術，通過施加與振動方向相反的控制力 來實現結構控制，控制力由前饋外激勵和（或）反饋結構的動力響應決定；（3)半主動控 制系統，一般W被動控制為主，當結構動力反應開始越限時，利用控制機構來主動調節結構 內部的參數，使結構參數處于最優狀態，所需的外部能量較小；(4)混合控制系統，主動控 制和被動控制的聯合應用，使其協調起來共同工作，該種控制系統充分利用了被動控制與 主動控制各自的優點，既可W通過被動控制系統大量耗散振動能量，又可W利用主動控制 系統來保證控制效果，例如主被動調諧質量阻巧器（Active-Passive化nedMassDamper， APTMD)〇
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提出一種基于可控沖程的主被動調諧質量阻巧器設計方法，來針 對主被動調諧質量阻巧器（APTMD)存在提高對結構地震反應控制的有效性而阻巧系統沖 程明顯增大的缺陷。
[0005] 為達到上述目的，本發明采用如下述技術方案；一種基于可控沖程的主被動調諧 質量阻巧器設計方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0006] 步驟一，建立結構CS-APTMD系統力學模型：由結構自身的質量心阻巧C郝剛度 k,，在單個調諧質量阻巧器TMD的基礎上又串聯增加一個小質量塊，并施W-定的驅動力； 在結構質量塊與小質量塊之間添加一個線性附加阻巧器；然后建立結構基于可控沖程的主 被動調諧質量阻巧器系統，即結構CS-APTMD系統的力學模型；
[0007] 步驟二，建立結構CS-APTMD系統動力方程；根據結構動力學原理，對結構及調諧 質量阻巧器TMD、主動調諧質量阻巧器ATMD進行受力分析，建立結構CS-APTMD系統動力方 程；
[0008]步驟S，對結構CS-APTMD系統進行振動控制參數的優化；
[0009] 步驟四，設計優化的CS-APTMD;通過比較結構，考慮控制的有效性和阻巧系統沖 程控制的有效性，選擇最優組合參數，參照原結構的參數設計優化的CS-APTMD，用于控制結 構振動。
[0010] 優選地，所述步驟一是將結構作為一個單自由度質點，根據其材料特點確定其阻 巧C,和剛度k,，將一個TMD裝置在結構上，再將一個ATMD裝置在TMD上，W-主動力Ut(t) 控制，在ATMD與結構之間添加一個阻巧為c曲線性附加阻巧器；W此構成結構CS-APTMD系 統。
[0011] 優選地，所述步驟二建立結構CS-APTMD系統的動力方程表示為下式：
[0015] 式中，為地震地面運動加速度；y,為結構相對于基底的位移；yT為TMD-即大 質量塊一相對于結構的位移；yt為ATMD-即小質量塊一相對于結構的位移；m,、C,和k,分 別為結構的受控振型質量、阻巧和剛度；!％、Ct和kT分別為TMD質量、阻巧和剛度；mt、Ct和 kt分別為ATMD質量、阻巧和剛度；c歷線性附加阻巧器的阻巧；ut(t)為作用于TMD和ATMD 之間的主動控制力。
[0016] 優選地，所述步驟=中對CS-APTMD進行振動控制優化設計為：
[0017] 結構CS-APTMD系統的位移bs)動力放大系數為：
[0018]
[0019] TMD沖程（yi)的動力放大系數為：
[0020]
[0021]ATMD沖程（yt)的動力放大系數為：
[0022]
[0023]式中；
[0046] 式中；A為主結構的頻率比審為TMD的頻率比；ft為ATMD的頻率比；Cs為主結 構的阻巧比；cT為tmd的阻巧比；ct為atmd的阻巧比；cL為附加阻巧器的阻巧比；yT為 TMD與結構的質量比；yt為ATMD與結構的質量比；n為TMD與ATMD的質量比；at為ATMD 的標準化加速度反饋增益系數；優化過程中，根據實際工程，設定A、Ut、n的值，選定at 的范圍，對^T、^t、進行參數優化。
[0047] 優選地，所述步驟四中定義最優參數評價準則；設置CS-APTMD時結構的最大動力 放大系數的最小值的最小化，即=min.min.min.min.min.max.(DM/*;,、）； 越小，則裝置 振動控制有效性就約佳；利用基因遺傳算法進行參數優化，并與APTMD進行比較。
[0048] 與現有技術相比，本發明具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點：本 發明方法能設計出一種適用于所有結構的新型主被動調諧質量阻巧器，優越之處在于 CS-APTMD的有效性和APTMD的有效性幾乎相同，但CS-APTMD的沖程顯著小于APTMD的沖 程。
【附圖說明】
[0049] 圖1是CS-APTMD設計方法程序框架圖。
[0050] 圖2是基于可控沖程的主被動調諧質量阻巧器（CS-APTMD)系統模型圖。
[0051] 圖3是CS-APTMD、APTMD的隨at變化關系曲線圖。
[00閲 圖4是CS-APTMD、APTMD的ft隨at變化關系曲線圖。
[0053] 圖5是CS-APTMD、APTMD的Ct隨at變化關系曲線圖。
[0054] 圖6是CS-APTMD的CL隨at變化關系曲線圖。
[00巧]圖7是CS-APTMD、APTMD的O'W廠。、隨at變化關系曲線圖。
[0056]圖8是CS-APTMD、APTMD的餅W；,,隨at變化關系曲線圖。
[0057]圖9是CS-APTMD、APTMD的O'WF"，隨at變化關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0058] 下面結合附圖，對本發明的優選實施例作詳細的說明。
[0059] 如圖1所示，本發明基于可控沖程的主被動調諧質量阻巧器設計方法包括如下步 驟：
[0060] 步驟一，建立結構CS-APTMD系統力學模型：由結構自身的質量心阻巧C郝剛度 k,，在單個調諧質量阻巧器TMD的基礎上又串聯增加一個小質量塊，并施W-定的驅動力； 在結構質量塊與小質量塊之間添加一個線性附加阻巧器；然后建立結構基于可控沖程的主 被動調諧質量阻巧器系統（即結構CS-APTMD)系統的力學模型；
[0061] 步驟二，建立結構CS-APTMD系