基于PTMD的钢-混组合梁减振效应试验研究

针对钢-混组合梁桥的行车振动问题,设计了一种碰撞调谐质量阻尼器(pounding tuned mass dampers, PTMD)装置,进行了基于PTMD的钢-混组合梁减振效应试验研究和数值分析研究。设计并制作了钢-混组合梁试验模型和PTMD装置,研究了PTMD装置的减振效果并进行PTMD装置的参数讨论。结果表明,该PTMD装置对钢-混组合梁的振动有明显的抑制效果,在振动响应较大时能够取得更好的减振效果,其最佳质量比为2%,最佳碰撞间隙为4 mm,在试验梁上同时安装3个PTMD更为合理。以某高速公路线路上的双主梁钢-混组合梁桥为研究背景,建立了车-桥-PTMD耦合系统模型,计算并对比双主梁钢-混组合梁桥在移动车辆荷载作用下无减振装置和应用PTMD装置下的动力响应,验证了PTMD装置在实际应用中的减振效果。

基于PTMD的双主梁钢-混组合梁桥车-桥耦合振动控制

针对双主梁钢-混组合梁桥车-桥耦合振动问题,文章以某高速公路路段1座4×35 m双主梁钢-混组合梁桥为例,设计一种通过调谐质量块与黏弹性层之间的碰撞来耗散能量的碰撞调谐质量阻尼器(pounding tuned mass damper,PTMD),以减小车辆引起的桥梁振动;结合桥梁和车辆的运动方程,建立车-桥-PTMD耦合系统运动方程;考虑路面条件,基于三维车辆模型、桥梁模型和PTMD系统建立车-桥-PTMD耦合系统的仿真模型,以研究该装置的减振效果。结果表明,该文研究的PTMD对钢-混组合梁桥的车-桥耦合振动有明显的抑制效果,且随着其质量比的增大,减振效果有显著提升。

考虑冲刷深度影响的海上风力机减震控制研究

为分析冲刷深度对海上风力机(offshore wind turbine, OWT)吸振阻尼系统鲁棒性的影响,选用NREL发布的某5 MW单桩海上风力机作为研究对象,采用大直径p-y曲线法考虑桩土耦合效应,研究了冲刷深度对碰撞调谐质量阻尼器(pounding tuned mass damper, PTMD)与调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)减震效果影响规律。数值分析结果表明:随冲刷深度增加,风力机前三阶频率均呈下降趋势,其中一阶频率下降1.1%,三阶频率下降达7.8%;随冲刷深度增加,风力机塔筒地震响应总体呈放大趋势;TMD与PTMD均能有效控制海上风力机在地震荷载作用下的动力响应,PTMD的减震效果略高于TMD;按无冲刷工况对阻尼器进行设计,两种阻尼器的减震效果随冲刷深度的增加呈现放大的趋势,对冲刷引发的失谐现象均表现出了足够的鲁棒性。

高层建筑抗风优化设计和风振控制相关问题研究

高层建筑由于自振周期长、阻尼小,其高柔的特征使其对风荷载特别敏感,风荷载是沿海地区超高层建筑的主要水平控制荷载,因此在强/台风作用下,其抗风设计须在满足规范安全要求的前提下,同时又要经济实用和结构性能高效,为此,开展高层建筑抗风优化和风振控制方面的研究具有十分重要的现实意义。该文在对高层建筑抗风优化设计和风振控制研究现状做简要介绍的基础上,首先根据风荷载的特点,着重研究了考虑风速风向联合概率分布和基于可靠度及性能化的高层建筑抗风设计方法,采用最优准则法,以结构的总重或总造价为目标函数,以顶部位移、层间侧移以及顶部风致加速度为约束条件,对高层建筑结构杆件截面抗风优化设计的相关问题进行了研究。同时为提高基因遗传智能优化算法的收敛速度和获得最可能优化解,该文提出了传统基因遗传的改进算法(如基于改进罚函数及分级遗传算法)用于结构抗风优化设计。在结构拓扑抗风优化方面,则主要引入分层优化的概念,对变密度法和改进动态进化率的双向渐进拓扑优化方法,应用于抗风结构的拓扑构型优化算法进行了相关研究。通过实例分析验证了上述结构抗风优化算法的高效和正确性。在风振控制方面,该文结合摩擦摆系统和调谐质量阻尼器各自的优点,提出了摩擦摆调谐质量阻尼器(FPS-TMD)被动控制系统,对其力学和动力特性,以及高层建筑顶部带FPS-TMD系统的风振控制理论,进行了相关研究。以结构控制第三代Benchmark模型为实例,研究顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振控制效果,同时结合该文开发的基于小型电振动台的实时混合实验测试平台,采用风振控制实时混合实验结果与理论模拟计算结果的对比,验证了该文提出的FPS-TMD被动控制系统,应用于高层建筑风振控制的有效性。

单摆式TMD简介及其减振性能分析

调谐质量阻尼器(简称TMD)是最早的一种结构振动控制装置,对于控制结构的风振反应具有非常明显的效果。文章主要介绍其中的一种TMD装置-单摆式TMD,并尝试将单摆式TMD应用于风力发电塔。利用单摆式TMD的减振消能作用,减小风力发电塔因风力作用产生的振动,从而减小振动引起的发电机故障和风力发电塔损坏。

冰区海上单桩风机振动响应与控制

针对冰区海域风机结构冰激锁频振动问题,深入开展其冰激振动响应分析,提出基于三维摆式阻尼器的冰区风机振动控制方法。基于M??tt?nen-Blenkarn自激振动理论,采用APDL开发冰区风机自激振动分析程序;基于叶素动量理论,考虑Prandtl叶尖损失修正和Grauert修正,利用MATLAB编程计算获得风机叶片空气动力载荷;针对NREL 5 MW海上单桩风机结构,考虑我国渤海海域一年一遇冰情,开展不同方向冰-风组合工况下的振动响应分析,给出风机结构发生锁频事件的冰速范围,并对有、无三维摆式阻尼器的风机塔筒响应进行对比分析,结果表明:单桩风机发生锁频事件对应的冰速范围为0.01~0.06 m/s,冰-风同向时,风机发生冰激锁频所对应的冰速范围最大,塔筒结构响应最大;三维摆式阻尼器能够显著抑制冰-风载荷联合作用下的塔筒面外和面内振动响应,从而大大提高其服役的安全性。该研究成果可为冰区服役风机结构的安全运行提供技术支持。

弹簧摆碰撞调谐质量阻尼器减震性能优化研究

为了提高弹簧摆碰撞调谐质量阻尼器(spring pendulum pounding tuned mass damper,SPPTMD)的减震性能,采用粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)对其关键参数进行了优化。推导了SPPTMD减震系统的运动方程,同时建立了系统的仿真分析模型。选取阻尼器频率比、内共振系数和碰撞间隙为优化变量,以结构峰值响应最小为优化目标,编制了SPPTMD优化程序。对比了优化前后SPPTMD在不同场地上12条地震动作用下的减震效果。研究结果表明:SPPTMD的最优参数与场地类别相关;优化后阻尼器的减震性能有明显提高,其中,Ⅳ类场地优化效果最好。

结构主动与被动调谐质量阻尼器的减震性能

使用Kanai Tajimi地震动模型,建立了主动调谐质量阻尼器(ATMD)结构系统的传递函数。将ATMD最优参数的评价准则定义为:设置ATMD结构均方根位移(解析式)的最小值的最小化。将AT MD有效性的评价准则定义为:设置ATMD结构均方根位移的最小值的最小化与未设置ATMD结构的均方根位移之比。根据选择的评价准则,评价了地震卓越频率系数(EDFR)对ATMD抗震控制性能的影响。同时也评价了EDFR对被动调谐质量阻尼器(PTMD)抗震控制性能的影响。

FPS型TMD振动台试验模型设计及其减震效率仿真分析

为了对某钢框架进行减震控制,本文利用该钢框架的结构参数和动力特性,设计了FPS型TMD减震装置。然后用有限元软件SAP2000对该减震钢框架结构进行非线性动反应时程分析。分析结果表明:该装置具有显著的减震效果,能够有效地减小主结构的地震反应。为下一步的振动台试验和FPS型TMD减震装置的参数优化提供依据和参考。

地震作用下高压输电塔-线体系纵向减震控制分析

目的研究地震作用下高压输电塔-线耦合体系纵向减震控制.方法运用有限元分析软件ABAQUS建立高压输电塔-线耦合体系的精细化模型.利用非线性时程方法分析地震作用下碰撞摆(Pounding Tuned Mass Damper)对输电塔-线体系的减震控制,并与悬挂质量摆(Suspension Mass Pendulum)的减震效果进行对比分析.结果以Kobe地震作用为例,悬挂质量摆控制下输电塔-线体系塔顶位移、加速度和主材轴力峰值减振率分别为29%、23%和26%,碰撞摆控制下的峰值减振率分别为41%、29%和38%,可以看出,碰撞摆的减振效果明显优于悬挂质量摆.结论悬挂质量摆能够有效地抑制结构的不良振动,而碰撞摆的震动控制能力明显强于悬挂质量摆.

自适应单摆式TMD及其减振效果的数值模拟

当单摆式调谐质量阻尼器（PTMD）的频率调谐至与结构的自振频率一致时，PTMD有良好的减振效果。由于结构的设计频率与实际频率之间的偏差和结构在使用过程中发生的损伤累积等，结构的自振频率可能会偏离PTMD的控制频率，降低PTMD的减振效果。为了改善传统PTMD对频率调谐敏感的缺陷，提出的自适应单摆式TMD基于PTMD频率仅与摆长有关的特点，利用短时傅里叶变换和环境激励法识别出结构的自振频率，然后自发地启动步进电机改变摆长，以调节PTMD频率与结构频率相同。介绍了一种自适应单摆式TMD的模型装置，并用数值模拟对比了其在各种激励作用下的结构响应。结果表明，自适应单摆式TMD对结构的频率识别精度高，能够提高结构的等效阻尼比，降低结构的加速度响应。自适应单摆式TMD能够提高PTMD的减振效果，提高结构的安全性和耐久性，延长结构的使用寿命，且构造简单、需电量小，具有较好的工程应用前景。

自变频单摆式调谐质量阻尼器减振效果研究

为改善传统的单摆式调谐质量阻尼器(PTMD)对频率调谐敏感的缺点,提出了一种自变频单摆式调谐质量阻尼器(SA-PTMD),SA-PTMD由摆绳、质量块、阻尼器和伺服控制系统构成。伺服控制系统包含一个加速度计、控制中枢的微电路板和调节摆长的步进电机。电路板根据主结构的加速度信号,通过Hilbert-Huang变换(HHT)计算得到主结构的瞬时频率,控制步进电机实时调节PTMD的摆长以调谐其自振频率。介绍了SA-PTMD的机械组成和安装方式及基于HHT的变摆长控制算法。给出了一个数值模拟算例,在算例中,对比了无TMD,PTMD,SAPTMD控制下模型在简谐激励和脉动风激励下的加速度和位移响应。结果表明,SA-PTMD在PTMD频率偏离主结构频率和激励频率偏离PTMD控制频率时,均能实时调节自身频率,降低主结构的加速度和位移响应。

基于黏弹性理论的碰撞力计算方法及其在碰撞TMD中的应用

针对地震作用下结构间的碰撞力的计算问题,结合黏弹性力学和接触力学理论,提出了一种基于黏弹性理论的碰撞力计算方法。推导该方法的计算公式,给出计算流程;根据已公开发表的钢-钢碰撞和混凝土-混凝土碰撞试验数据验证了该方法对于单次碰撞力计算的精确性。开展PTMD小型振动台试验,将该方法用于碰撞调谐质量阻尼器(PTMD)的碰撞力计算,验证该方法对于连续碰撞问题的有效性。结果表明:基于黏弹性理论的碰撞力计算方法对单次的弹性碰撞和非弹性碰撞均有较高精度;小型振动台试验结果与数值模拟符合较好,说明该方法也可以较精确地模拟钢材与黏弹性材料之间的连续多次碰撞问题; PTMD可以有效抑制结构在外激励作用下的位移响应,也可以加快结构在自由振动过程中的能量耗散,促使结构快速静止。

电涡流单摆式TMD阻尼特性的有限元分析

在高层及超高层建筑的抗风和抗震中,单摆式调谐质量阻尼器(PTMD)有着较为广泛的应用。传统的PTMD采用油阻尼器作为阻尼装置。然而,油阻尼器具有施工不便、耐久性差、阻尼难以调节等缺点,而且这还会给PTMD带来附加刚度,不利于PTMD的频率设计。在前人的研究成果基础上,利用电涡流阻尼代替油阻尼器,提出一种新型的电涡流单摆式TMD(EC-PTMD),并利用大型电磁场有限元分析软件Opera3D对其进行建模分析。对导体板厚度、导磁钢板厚度及其磁导间距进行了参数分析,结果表明:电涡流阻尼的大小随着导体板、导磁钢板厚度的增加基本呈非线性增长;随着磁导间距的增大,电涡流阻尼呈非线性减小。在用二次函数拟合磁导间距与有效电涡流阻尼系数间关系的基础上,提出一种有较强适用性的EC-PTMD的设计方法。

时滞耦合质量摆动力吸振器减振系统的等峰优化理论与实验

摆式调谐质量阻尼器因其便于安装、维修、更换,且经济实用,广泛应用于结构减振.它通过将摆的自振频率调谐到接近主系统的控制频率,使摆产生与主系统相反的振动,从而抑制或消除主系统的振动.本文通过对主系统无阻尼的被动减振系统和主系统有阻尼的时滞反馈主动减振系统进行多目标优化设计,实现了对主系统幅频响应曲线的等峰控制和共振峰与反共振峰差值的有效控制.首先,建立了时滞耦合质量摆动力吸振器减振系统的力学模型和振动微分方程,通过对主系统无阻尼的被动减振系统进行等峰优化,获得了减振系统的最优频率比和质量摆的最优阻尼比.对于主系统存在阻尼的被动减振系统,在该优化参数下主系统的幅频响应曲线等峰优化失效.其次,对于主系统存在阻尼的时滞反馈优化控制系统,采用CTCR方法得到了反馈增益系数和时滞的稳定区域.在保证系统稳定的前提下,通过调节反馈增益系数和时滞量两个控制参数能够实现对主系统幅频响应曲线的等峰控制.再次,对共振点处主系统振幅放大因子时滞敏感度和反馈增益系数敏感度进行分析,表明共振点幅值对反馈增益系数比对时滞更为敏感.最后,通过实验分别在频域和时域内对理论结果进行了验证.研究表明,通过采用时滞反馈对摆式调谐质量阻尼减振系统进行等峰优化控制,在较宽的频率区间内抑制了主系统的振幅;通过控制共振峰和反共振峰的差值,保证了幅频响应曲线的平坦性.

吊杆抑振用复摆式调谐质量阻尼器调试与安装

瑞安飞云江五桥主桥为连续钢桁系杆拱桥,针对该桥窄翼缘H形截面刚性吊杆涡激振动问题,为其研发了复摆式调谐质量阻尼器。该阻尼器采用电涡流提供阻尼,采用复摆-弹簧提供刚度,消除了摆杆疲劳和刚度-阻尼耦合问题,阻尼器频率和阻尼参数调试便捷,且实现了连续可调,紧凑耐用,便于安装维护,景观效果好。安装阻尼器后的吊杆激振试验表明,阻尼器的抑振效果达到设计目标要求。

单摆式电涡流TMD装置优化设计与模型试验研究

为实现单摆式电涡流TMD构造与磁路优化设计,探讨了TMD装置整体构造,综合理论分析、模型试验与三维电磁场有限元仿真,研究了TMD质量块与板式电涡流阻尼器(PECD)二者之间的磁场吸引力作用对TMD振动频率的影响程度,以及磁路布置对PECD等效阻尼系数的影响规律。结果表明:PECD宜安装在TMD运动质量块的底面;磁场吸引力作用将增大TMD振动频率,TMD初步设计宜适当调整初始摆长以避免TMD失谐;通过尽可能减小磁场间隙、适当加厚导磁钢板、优化铜板厚度等方法均可提升PECD耗能效果;沿TMD运动方向,相邻永磁体磁极宜交错布置,通过有限元仿真确定最优间距;沿垂直于TMD运动方向,相邻永磁体磁极宜同向布置,且间距越小越好。

悬索桥吊索高阶涡激振动及摆锤式MTMD减振技术研究

为了解大跨度悬索桥吊索出现的大幅高频振动现象,并进行减振,以国内某主跨1688 m的悬索桥为背景(最长吊索长184.6 m),基于理论方法和施工期吊索大幅高频振动实测结果,分析吊索的振动类型及参数(频率、阻尼比);提出一种摆锤式多重调谐质量阻尼器(MTMD,其由一定形状的锤头提供质量参数,由钢绞线提供刚度及阻尼参数),采用有限元和室内试验的方法,分析其振动特性,并进行实桥验证。结果表明:该桥吊索振动频率范围为5~25 Hz,阻尼比低,单个吊点的多根吊索易发生同相位的高阶涡激振动;摆锤式MTMD单个锤头具有2个控制主频,自身阻尼比约10%,具有位移放大作用,对高频振动的响应灵敏,在很宽的频率范围内具有很好的减振性能;摆锤式MTMD可有效增加吊索自身阻尼比,控制吊索高阶涡激振动,实测减振效果达到90%以上,具有很好的实用性。

FPS-TMD减震钢框架振动台试验研究

本文设计制作出一个FPS-TMD,对装有FPS-TMD的4层钢框架结构进行了振动台试验,结果表明当激励频率接近结构受控自振频率时,FPS-TMD能够有效地减小结构的动力反应和抑制结构共振,减震率在50%以上,证明了本文所研究的FPS-TMD减震的有效性,文中采用的分析方法和研究结果可为FPS-TMD减震的深入研究及其实际工程应用提供重要参考。

设置FPS质量调谐阻尼器减振效果分析研究

根据拉格朗日方程推导了结构设置FPS调谐质量系统地震动力反应分析计算公式,并考虑了接触面滞滑效应的影响。分析与计算结果表明:设置质量调谐系统之后,结构动力反应层间位移有所减小。当接触面滑动摩擦系数为0.15左右、滑道半径为0.7 m、调谐附加质量为楼层质量的1.4倍以上时,质量调谐系统具有较好的减振效果、消能效果与复位能力。