并聯調諧質量阻尼器最優化設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種并聯調諧質量阻尼器（Double-Parallel Tuned Mass Dampers， DPTMD)優化設計方法。
【背景技術】
[0002] 地震是一種常見且又突發的自然災害，至今預見性仍然很低，且分布廣泛、破壞嚴 重，一旦發生將給人類造成非常嚴重的損失。地震除了導致房屋破壞和倒塌、人員傷亡等直 接影響外，還會引發火災和疾病等次生災害，造成巨大的安全隱患和經濟損失。我國是世界 上遭受地震災害最嚴重的國家之一。
[0003] 土木工程結構振動控制的研究和應用被認為是結構抗風抗震研究領域的重大突 破。它突破了傳統的結構設計方法，即使僅依靠改變結構自身性能例如增加結構的剛度、阻 尼和改變質量分布等來抵抗環境荷載（例如強風和強震）的方法發展為由結構一抗風抗震 振動控制系統主動地控制結構的動力反應。1972年，美籍華裔學者姚治平首先系統地提出 了結構主動控制概念。他建議應用經典或現代控制理論，在結構上安裝一些控制系統。結構 在風與地震作用下，安裝于其上的這些控制系統產生控制力，能顯著降低結構的動力響應。 結構振動控制根據是否需要外界能源，一般分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控 制四類。
[0004] 結構智能化是建筑智能化的重要組成部分。而結構智能化最主要的是其對自然災 害（例如強風與強震）的防御能力。實時測量和監控結構的災害響應，探測結構的損傷和 屈服，經計算機在線處理的伺服系統自動向結構實施控制力。結構振動控制技術為現存抗 風抗震能力和耐久性不足建筑物的修復和改造提供了可行的和徹底的解決方法，也為未來 建筑結構基于性能化的抗震設計提供了可行的方法。在結構振動控制的各分支中，質量調 諧減振技術是一種相對成熟的技術，因其具有對控制元件要求低，可直接安裝于建筑結構， 無需修改結構設計就能適用于已有建筑等一系列的特點，在高層建筑、高聳結構、大跨度橋 梁中獲得了廣泛的應用。近年來，質量調諧阻尼器在國內外一些重要建筑物上的應用更為 廣泛。例如：上海中心大廈的擺式電渦流調諧質量阻尼器；上海環球金融中心兩臺150噸的 風阻尼器；臺北101大廈的擺動TMD (Tuned Mass Dampers，調諧質量阻尼器）系統等。
[0005] TMD作為一種世界范圍內公認的高性能減振設備已經得到了十分深入透徹的研 究。近些年來，在結構振動控制研究領域，學者們的研究方向之一是尋求新型的振動控制設 備，進一步增強振動控制的有效性，降低沖程。同時為了考慮實現的可能性，經濟因素也是 一個重大問題。在經濟合理、容易實現的前提下，尋求一種高效簡潔的振動控制設備是振動 控制領域一個新的研究方向。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種并聯調諧質量 阻尼器最優化設計方法，相比于傳統的TMD，通過調節兩個質量塊之間的比值，可以實現有 效性的大幅度提升；同時相對于傳統的TMD，在一定的質量比范圍內，DPTMD的沖程可以大 幅度降低，同時有效地控制地震作用下結構的位移響應。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明采用如下述技術方案：一種并聯調諧質量阻尼器優 化設計方法，其特征在于，其包括如下步驟：
[0008] 步驟一，建立并聯調諧質量阻尼器的模型，具體過程如下：在傳統TMD -個第一質 量ml的基礎上，增加一個第二質量塊，并與其平行安裝，分別采用彈簧和阻尼器將第一質 量塊和第二質量塊連接在建筑主結構上，構成由兩個質量塊組成的并聯調諧質量阻尼器；
[0009] 步驟二，根據結構動力學原理，對建筑主結構及并聯調諧質量阻尼器進行受力分 析，建立建筑主結構一DPTMD系統的動力方程；
[0010] 步驟三，對比TMD，對并聯調諧質量阻尼器進行振動控制的優化設計；
[0011] 步驟四，通過參考優化結果，考慮控制的有效性和阻尼系統沖程控制的有效性，選 擇最優組合參數，參照原建筑主結構的參數設計并聯調諧質量阻尼器。
[0012] 優選地，所述步驟一中建立建筑主結構一DPTMD系統的力學模型：將建筑主結構 作為一個單自由度質點，根據其材料特點確定其阻尼和剛度，在傳統TMD第一質量塊的基 礎上平行增加一個第二質量塊，采用兩套彈簧和阻尼分別將第一質量塊和第二質量塊連接 在建筑主結構上，構成了由兩個質量塊組成的并聯調諧質量阻尼器，即建筑主結構一DPTMD 系統。
[0013] 優選地，所述步驟二建立建筑主結構一SPTMD系統的動力方程表示為下式：
[0014] + +
[0015] m；[.v"(/) + .yN +VlJfclVi =0
[0016] + ν:] + ?·2Γ2 +A:r2 =0
[0017] 式中，％的為地震地面運動加速度；ys為建筑主結構相對于基底的位移；h為建 筑主結構相對于基底的速度；Is:為建筑主結構相對于基底的加速度y2為TMD1、TMD2 質量塊相對于建筑主結構的位移；A、知為TMDl、TMD2質量塊相對于建筑主結構的速度； Λ、爲為ATMD質量塊相對于建筑主結構的加速度；ms、c#P k s分別為建筑主結構的受控振 型質量、阻尼和剛度^和k i分別為TMDl的質量、阻尼和剛度；m 2、〇2和k 2分別為TMD2 的質量、阻尼和剛度。
[0018] 優選地，所述步驟三中對并聯調諧質量阻尼器進行振動控制的優化設計為如下內 容：
[0019] 建筑主結構一DPTMD系統的位移動力放大系數如下式：
[0020]
[0021] TMDl沖程的動力放大系數為如下式：
[0022]
[0023] TMD2沖程的動力放大系數為如下式：
[0024]
[0025] 式中：λ為建筑主結構的頻率比；動力放大系數由假定建筑主結構遭受簡諧外激 勵時求得，將外激勵荷載表為.\(〇=_[Α(-叫]〃'1'、ys = [Hs(_iw)]elwt，Y1= [H1(Hw)] e ，y2= LH2(_iw)」e 。
[0026] 優選地，所述步驟四中定義最優參數評價準則：設置并聯調諧質量阻尼器的建筑 主結構最大動力放大系數的最小值的最小化；利用遺傳算法進行參數優化，并與傳統TMD 進行比較。
[0027] 與現有技術相比，本發明具有如下突出的實質性特點和顯著的優點：針對現有技 術存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種并聯調諧質量阻尼器最優化設計方 法，相比于傳統的TMD，通過調節兩個質量塊之間的比值，可以實現有效性的大幅度提升； 同時相對于傳統的TMD，在一定的質量比范圍內，DPTMD的沖程可以大幅度降低，同時有效 地控制地震作用下結構的位移響應。
【附圖說明】
[0028] 圖1是并聯調諧質量阻尼器（DPTMD)設計分析過程圖；
[0029] 圖2是并聯調諧質量阻尼器（DPTMD)系統模型的示意圖；
[0030] 圖3是采用遺傳算法優化的流程圖；
[0031] 圖4是μ = 0. 01時，DPTMD對應不同的η時A的變化關系曲線的示意圖；
[0032] 圖5是μ = 0. 01時，DPTMD對應不同的η時f2的變化關系曲線的示意圖；
[0033] 圖6是μ = 0. 01時，DPTMD對應不同的η時ξ i的變化關系曲線的示意圖；
[0034] 圖7是μ = 0. 01時，DPTMD對應不同的η時ξ 2的變化關系曲線的示意圖；
[0035] 圖8是μ = 0. 01時，TMD的DMFfls及DPTMD對應不同的η時變化關系 曲線的不意圖；
[0036] 圖9是μ = 0. 01時，TMD的及DPTMD對應不同的η時變化關系曲 線的不意圖；
[0037] 圖10是μ = 0. 01時，TMD的0??及DPTMD對應不同的η時DMFii2變化關系 曲線的不意圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面結合附圖，對本發明的具體實施例作進一步的說明。
[0039] 如圖1所示，本發明并聯調諧質量阻尼器優化設計方法包括如下步驟：
[0040] 步驟一，建立并聯調諧質量阻尼器的模型（即建筑主結構一DPTMD系統模型）。其 具體組成如下：在傳統TMD -個第一質量塊ml的基礎上，增加一個第二質量塊m2,并與其 平行安裝，分別采用彈簧和阻尼器將第一質量塊ml和第二質量塊m2連接在建筑主結構上， 構成由兩個質量塊組成的并聯調諧質量阻尼器。
[0041] 步驟二，根據結構動力學原理，對建筑主結構及并聯調諧質量阻尼器進行受力分 析，建立建筑主結構一DPTMD系統的動力方程；
[0042] 步驟三，對比TMD，對并聯調諧質量阻尼器進行振動控制的優化設計；
[0043] 步驟四，通過參考優化結果，考慮控制的有效性和阻尼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并聯調諧質量阻尼器。
[0044] 如圖2所示，所述步驟一中建立建筑主結構一DPTMD系統的力學模型：將建筑主結 構作為一個單自由度質點，根據其材料特點確定其阻尼和剛度，在傳統TMD第一質量塊ml 的基礎上平行增加一個第二質量塊m2,采用兩套彈簧和阻尼分別將第一質量塊ml和第二 質量塊m2連接在建筑主結構上，構成了由