[发明专利]基于可控冲程的主被动调谐质量阻尼器设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于可控冲程的主被动调谐质量阻尼器(Active-passive tuned mass damper with controlled stroke，CS-APTMD)设计方法。

背景技术

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-Passive Tuned Mass Damper，APTMD)。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于可控冲程的主被动调谐质量阻尼器设计方法，来针对主被动调谐质量阻尼器(APTMD)存在提高对结构地震反应控制的有效性而阻尼系统冲程明显增大的缺陷。

为达到上述目的，本发明采用如下述技术方案：一种基于可控冲程的主被动调谐质量阻尼器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，建立结构CS-APTMD系统力学模型：由结构自身的质量m_s、阻尼c_s和刚度k_s，在单个调谐质量阻尼器TMD的基础上又串联增加一个小质量块，并施以一定的驱动力；在结构质量块与小质量块之间添加一个线性附加阻尼器；然后建立结构基于可控冲程的主被动调谐质量阻尼器系统，即结构CS-APTMD系统的力学模型；

步骤二，建立结构CS-APTMD系统动力方程：根据结构动力学原理，对结构及调谐质量阻尼器TMD、主动调谐质量阻尼器ATMD进行受力分析，建立结构CS-APTMD系统动力方程；

步骤三，对结构CS-APTMD系统进行振动控制参数的优化；

步骤四，设计优化的CS-APTMD：通过比较结构，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，参照原结构的参数设计优化的CS-APTMD，用于控制结构振动。

优选地，所述步骤一是将结构作为一个单自由度质点，根据其材料特点确定其阻尼c_s和刚度k_s，将一个TMD装置在结构上，再将一个ATMD装置在TMD上，以一主动力u_t(t)控制，在ATMD与结构之间添加一个阻尼为c_L的线性附加阻尼器；以此构成结构CS-APTMD系统。

优选地，所述步骤二建立结构CS-APTMD系统的动力方程表示为下式：