厦门大学硕士学位论文学校编码 :10384 分类号密级学号 : UDC 硕士学位论文基于能量平衡原理的结构风振控制研究 The Research of Wind-induced Control based on the energy balance principl

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筱蒙
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1 学校编码 :10384 分类号密级学号 : UDC 硕士学位论文基于能量平衡原理的结构风振控制研究 The Research of Wind-induced Control based on the energy balance principle 傅建芳指导教师姓名 : 张建霖教授专业名称 : 结构工程论文提交日期 :2013 年 5 月论文答辩时间 :2013 年 6 月学位授予日期 :2013 年 6 月答辩委员会主席 : 评阅人 : 2013 年 5 月

2 厦门大学学位论文原创性声明本人呈交的学位论文是本人在导师指导下, 独立完成的研究成果本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果, 均在文中以适当方式明确标明, 并符合法律规范和厦门大学研究生学术活动规范 ( 试行 ) 另外, 该学位论文为 ( ) 课题 ( 组 ) 的研究成果, 获得 ( ) 课题 ( 组 ) 经费或实验室的资助, 在 ( ) 实验室完成 ( 请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称, 未有此项声明内容的, 可以不作特别声明 ) 声明人 ( 签名 ): 年月日

3 厦门大学学位论文著作权使用声明本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等规定保留和使用此学位论文, 并向主管部门或其指定机构送交学位论文 ( 包括纸质版和电子版 ), 允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅借阅本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士硕士学位论文共建单位数据库进行检索, 将学位论文的标题和摘要汇编出版, 采用影印缩印或者其它方式合理复制学位论文本学位论文属于 : ( )1. 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文, 于年月日解密, 解密后适用上述授权 ( )2. 不保密, 适用上述授权 ( 请在以上相应括号内打或填上相应内容保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文, 未经厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文此声明栏不填写的, 默认为公开学位论文, 均适用上述授权 ) 声明人 ( 签名 ): 年月日

4 摘要摘要随着建筑功能的多样化, 以及新材料新结构与新体系的迅猛发展与应用, 高层建筑的楼层数逐渐增多, 高度也逐渐增高, 结构也变得越来越柔, 这给我们的结构设计带来了新的要求和挑战, 结构的抗风设计也因此变的更加重要传统的抗风设计方法已不能很好的满足设计的要求, 即使满足了要求, 也是不经济的有效可靠安全经济的方法是采用结构的风振控制技术, 即通过在结构中设置减震装置来减小结构的动力响应本文在以往研究的基础上, 基于能量的平衡原理, 分别对一维和三维建筑结构进行风振控制研究, 主要完成了以下工作 : 1 建立 76 层 Benchmark 模型的阻尼器控制系统的动力学方程, 基于能量的平衡原理, 利用遗传算法对阻尼器的位置和参数进行了优化设计 2 将 TMD 和阻尼器联合起来一起控制, 基于能量的平衡原理, 利用遗传算法对被动控制器的位置和参数进行优化设计通过算例表明 : 当主结构阻尼耗散能的控制效果相近时, 其所需 TMD 质量块的质量和阻尼控制器的阻尼值均比单一的 TMD 控制体系或者阻尼控制体系要小, 方便了 TMD 和阻尼器的选择和安装, 对于提高高层建筑的安全舒适及经济性能具有重要的意义 3 以 20 层钢结构为研究对象在风激励作用下, 通过设置不同的风向角, 利用时程分析方法计算出结构在平扭耦合和非耦合状态下的风振响应, 得到了一些有意义的结论在时程分析的基础上, 建立了双向 TMD 的结构动力学方程, 从能量的平衡角度出发, 通过优化对比证明了 TMD 系统对三维建筑结构在顺风向横风向及扭转向的良好抗风效果 4 以 20 层钢结构为研究对象在结构顶层设置 MTMD, 并建立 MTMD- 扭转控制的结构动力学模型, 基于能量的平衡原理, 利用遗传算法对 MTMD 阻尼器的参数进行优化设计, 通过算例表明 : 在具有同等质量的 TMD 质量块下, 该控制系统总体上要优于单独设置 TMD 的控制体系和多楼层设置 TMD 的控制体系, 这不仅增强了结构的抗扭性能, 而且还能减少 TMD 的总阻尼值, 具有一定的经济性和合理性关键词 : 风振控制 ; 能量的平衡原理 ; 遗传算法 ; I

5 ABSTRACT ABSTRACT With the rapid development and application of multi-functional buildings, as well as new materials, new structures and new systems, the global witness the rise of constructing high-rise buildings, the competition of the highest building in the world is very keen, the record is refreshed continuously. Consequently, the structure is subjected to increasing wind load with comparatively flexible bending stiffness so that we are faced with new challenges in structure design. It is essential and necessary to adopt wind-induced control to take the place of the traditional method for the shortness of the latter. Wind-induced control is a new method, which is effective, reliable, safe and economical. This new concept means that the dynamic response of the structure is reduced by its auxiliary devices instead of by the structure itself. Based on previous studies and energy balance principle, one-dimensional and three-dimensional architecture structures are established as models respectively to study wind vibration control. Following is the main content of this paper: 1. Structural dynamics model of dampers is established based on 76-storey Benchmark model. With the mean of energy balance principle, the dampers installed in the structure are optimally designed by Genetic Algorithm. 2. Take TMD and dampers (Hybrid control system) into account, based on energy principle, the passive controllers installed in 76-storey Benchmark model are optimally designed by Genetic Algorithm. The numerical result turns out that the quality of TMD and the parameters of dampers set in the Hybrid system are even smaller than before, which is convenient for the selection and installation of passive controllers. It is advisable for us to improve safety, comfort and economic performance of the high-rise building. 3. A 20-storey steel structure under wind excitation is established as dynamic model when the wind direction varies from o 0 to o 90. In view of the influence of quality center and stiffness center, the model will be artificially set in the coupled and uncoupled state. We can get some meaningful conclusions by using the method of time-history analysis. Then a structural dynamics model of TMD is established. It is II

6 ABSTRACT proved that the TMD system is feasible and effective to control wind-induced vibration, improve safety and comfort of structure. 4. Take a 20-storey steel structure for example, a structural dynamics model of MTMD, which is set at the top of model, is established. Based on energy balance principle, the relative parameters of MTMD are optimally designed by Genetic Algorithm. This approach is verified effectively and economically. Result turns out that the MTMD system put forward before can achieve better control effect,especially in the improvement of torsional performance, than the TMD (set at the top) system alone and the Multi-TMD (set in the 16 th, 18 th and 20 th floor) system when the total mass of TMD is equal. What s more, the dampers of TMD are even smaller than before. Key Words: Wind Vibration Control; Energy Balance Principle; Genetic Algorithm III

7 目录目录第一章绪论引言结构抗风设计要求结构振动控制的分类及研究进展被动控制概述主动控制概述半主动控制概述混合控制概述智能控制概述本文的工作意义及重点本文的研究目的及意义本文的主要内容本文重点第二章风荷载基本理论引言风的区分风对结构的作用高层建筑结构风振响应的研究现状风激励模型第三章结构风振控制分析方法引言风振控制结构的分析模型基于能量平衡的风振控制原理遗传算法理论概念原理特点时程分析方法第四章基于能量平衡原理的高耸结构混合控制优化设计引言基于能量平衡原理的阻尼器优化设计基准问题的建筑模型目标函数阻尼参数及位置的优化设计过程算例基于能量平衡原理的混合控制 TMD 和阻尼器混合控制体系优化设计步骤算例 IV

8 目录 4.4 本章结论第五章三维风振控制下 TMD 的优化设计引言模型动力学方程算例算例本章结论第六章三维风振控制下 MTMD 的优化设计引言模型动力学方程算例本章结论第七章论文总结与展望论文总结展望参考文献致谢攻读硕士学位期间发表论文目录 V

9 CONTENTS CONTENTS Chapter 1 Preface Introduction The wind-resistant design of structures Classification and Research advancement of Structural Vibration Control Summary of passive control Summary of active control Summary of semi-active control Summary of hybrid control Summary of intelligent control Main contents and Significance & Key point of this paper Research purpose and significance Main contents Key point Chapter 2 Basic concepts of wind load Introduction Classification of wind load Effects on the structures Status quo of Wind-induced vibration response of high-rise building structure Wind-excited model Chapter 3 Analytical method of wind-induced vibration control Introduction Analytical model of wind-induced vibration control of structures Energy-based principle for wind-induced vibration control Theory of Genetic algorithm Concept Principle Characteristic Time-history analysis method Chapter 4 Optimal design of hybrid control for high-rise structure based on energy method Introduction Optimal design of damping devices based on energy method Benchmark problem of building model The objective function Optimal design of damping devices VI

10 CONTENTS Numerical example Optimal design of hybrid control based on energy method Optimized design procedure of hybrid control Numerical example Conclusions Chapter 5 Optimal design of Tuned Mass Dampers (TMD) under three-dimensional wind-induced vibration control Introduction Kinetic equations of model Numerical example Numerical example Conclusions Chapter 6 Optimal design of MTMD under three-dimensional wind-induced vibration control Introduction Kinetic equations of model Numerical example Conclusions Chapter 7 Conclusions and issues for further study Conclusions of this paper Important issues for further study References Acknowledgements List of published or accepted papers VII

11 绪论第一章绪论 1.1 引言风对建筑物的破坏屡见不鲜, 特别是对高层建筑高耸结构和大跨度结构的破坏与地震荷载不同, 这些建筑所受的风荷载是结构上真实承受的荷载 [1], 它与结构的体型高度及复杂程度相关由于它们的结构特点, 水平的风荷载会引起较大的结构反应对于建筑物来讲, 尽管风的作用没有地震那么强烈, 但由于风的作用频繁, 实际上因风对建筑物产生的灾害比地震灾害大得多据不完全统计, 各种自然灾害每年给人类带来的经济损失大约占到所有自然灾害的一半左右, 同时还有近二万人的死亡 [2] 损失由于风灾发生的频率较高, 持续时间长, 产生的灾害大, 通常认为在所有的自然灾害中, 风灾造成的损失为各种灾害之最风灾中, 台风和龙卷风又是给人类带来损失最大的两种风据美国资料统计, 自 1916 年以来共发生龙卷风多次仅 1978 年龙卷风造成的损失约为 20 亿美元, 台风造成的损失为 16 亿美元, 其他风灾造成的损失为 4 亿美元据不完全统计,1985 年登陆我国的 9 次台风造成的损失有 : 死亡 878 人, 失踪 354 人, 伤 3738 人 ; 房屋倒塌 30 多万栋, 受损 70 多万栋 ; 损坏电线杆 5 万多根, 输电线路 8 千多条 ; 损坏桥梁 2439 座 ; 损坏公路 1403 公里 ; 经济损失达 32.3 亿元人民币随着人们对建筑物功能要求的不断提高, 同时新的轻质高强建筑材料的出现和施工技术的不断发展, 高层建筑高耸结构大跨度建筑等发展越来越快, 越来越多这些结构的刚度和阻尼随着新技术新材料的发展也不断的下降, 在风荷载的作用下振动的幅度也就越来越大, 甚至影响到了建筑物的正常使用因此, 在建筑物的高度跨度不断增加, 而刚度和阻尼不断下降的情况下, 如何充分的利用轻质高强材料, 去满足抗风设计的要求将成为一个新的研究课题传统的抗风设计是通过增加结构的刚度来抵抗风荷载的, 显然既不经济又失去了使用高强材料的意义因此只有采用其他新的振动控制方法振动控制技术是通过在结构上设置减振装置来调整结构的动力作用或者更改结构的动力特性, 保证结构本身和结构内部各种附属物的安全, 提高结构抗风的性能 1

12 绪论 1.2 结构抗风设计要求对高层和超高层结构进行抗风设计 [3], 必须保证结构在使用过程中不出现破坏等现象, 主要包括以下几个方面 : 1 结构抗风设计必须满足强度设计要求结构构件在风荷载及其他荷载共同作用下, 必须满足强度设计要求, 确保结构不会产生倒塌开裂和大的残余变形等破坏现象, 以保证结构安全例如, 在建筑结构荷载规范 GB 中规定, 风荷载作为一种可变荷载风荷载的组合值频遇值和准永久值系数可分别取和 0 高层民用建筑钢结构技术规程与高层建筑混凝土结构技术规程均规定 : 结构非抗震设计时的风荷载组合值系数为 1.0, 而在抗震设计时取为结构抗风设计必须满足刚度设计要求结构的位移或相对位移应满足相关的规范要求, 以防止在风力作用下隔墙开裂建筑装饰和非结构构件因位移过大而损坏高层超高层结构的刚度可以由结构顶部水平位移与结构的高度或结构层间相对水平位移值来控制, 这与不同的结构和隔墙类型有关顶部水平位移或层间相对水平位移界限值分别由顶部位移与结构总高度和层间相对水平位移与层高的比值来决定由于振型的非线性引起局部层间位移增大, 顶部水平位移与结构总高度之比 /H 通常小于层间相对水平位移与层高之比 δ /h 一般来说对应于高层建筑的主体结构开裂或损坏 ( 位移过大引起框架剪力墙承重墙裂缝或结构主筋屈服 ), 层间相对水平位移界限值在 1cm 左右 ; 对于高层建筑非承重墙开裂, 层间相对水平位移界限值在 0.6~0.7cm 左右高层建筑的抗风安全以非承重墙开裂为界限, 依据这一准则, 建筑物对应的顶部水平位移与结构总高度之比 /H 应满足一定的限值例如, 根据高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2010, 可得出风荷载作用下高层建筑的楼层层间最大位移与层高之比 uh / 的限值, 见表 1.1 2

13 绪论表 1.1 层间最大位移与层高比限值结构类型 u/ h 框架 1/550 框架 - 剪力墙框架 - 核心筒板柱 - 剪力墙 1/800 筒中筒 1/1000 框支层 1/1000 高度大于或等于 250m 的高层建筑, 其楼层层间最大位移与层高之比 uh / 不宜大于 1/500 高度在 150~250m 之间的高层建筑, 其楼层间最大位移与层高之比 uh / 按以上两者限值的线性插值取用高层民用建筑钢结构技术规程规定 : 结构在风荷载作用下, 顶点质心的侧移不宜超过建筑高度的 1/500; 层间侧移不宜超过楼层高度的 1/400 对于以钢筋混凝土结构为主要抗侧力构件的高层钢结构的位移, 应符合上述的高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 中的有关规定, 但在保证主体结构不开裂和装修材料不出现较大破坏的情况下, 可适当放宽 3 结构的抗风设计必须满足舒适度的要求, 以防止在风作用下引起的摆动造成居住者的不适影响人体感觉不舒适的最主要因素是振动频率振动加速度和振动持续时间由于振动持续时间取决于风力作用的时间, 而结构振动频率的调整又十分困难, 因此一般采用限制结构振动加速度的方法来满足舒适度的设计要求根据对人体振动舒适界限标准所得加速度的控制界限, 见表 1.2 表 1.2 人体振动舒适度的控制界限程度使人烦恼非常烦恼无法忍受界限 [a] 15gal 50gal 150gal 现行的高层民用建筑钢结构技术规程规定重现期为 20 年最大加速度限值为 0.28m/m 2 ( 公共建筑 ) 与 0.2m 2 ( 公寓建筑 ) 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 中规定 : 高度超过 150m 的高 3

14 绪论层建筑结构应具有良好的使用条件, 满足舒适度的要求, 按现行国家规范建筑结构荷载规范 GBJ5O 中规定的 10 年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度 a max 不应超过表 1.3 中所规定的限值 : 表 1.3 结构顶点最大加速度建筑类型公寓建筑公共建筑控制界限为防止风对外墙玻璃女儿墙及其他装饰构件的局部破坏, 也必须对这些构件进行合理设计 5 结构抗风设计必须满足抗疲劳破坏要求风振引起高层建筑结构或构件的疲劳破坏是高周疲劳累计损伤的结果结构或构件的疲劳寿命由试验或统计分析得到 S-N 曲线决定 : NS m = C 式中, S 响应水平 ; N 响应水平 S 下结构或结构疲劳失效的循环次数 ; mc, 系数由于结构的风振控制是复杂的动力学问题, 如何确保建筑结构在强风作用下的安全性舒适性能是一个值得研究的重要课题 1.3 结构振动控制的分类及研究进展结构振动控制是研究控制结构反应 ( 位移速度或加速度 ) 的设计理论和应用技术在土木工程中, 结构振动控制的概念是在 1972 年由美籍华裔学者姚治平首先提出来的, 是 70 年代发展起来的一种新的结构设计思想, 它是通过在结构上安装控制装置来减轻或抑制结构由于动力荷载作用引起的反应, 该技术最先应用于机械宇航船舶等工业领域结构控制是一种不同于传统结构设计方法的全新的积极主动的方法, 它改革了利用承重结构本身来抵御横向荷载的思想, 通过应用结构控制的理论, 可以显著地提高结构的承载能力, 降低结构的重量, 保证结构满足安全性使用性及人 4

15 绪论的舒适性要求, 是结构设计思想的一次飞跃近 30 年的理论和实践表明 : 结构振动控制可以有效减轻结构在风荷载作用下所引起的反应和损伤, 有效提高结构的抗风能力和防灾性能从广义上说, 振动控制包括两方面的内容 : 一是振动的利用, 即充分利用有利的振动, 如各类振动机器等 ; 另一是振动的抑制, 即尽量减小有害的振动, 因为振动加速运转机械的磨损, 缩短产品与结构的寿命, 使人易于疲劳, 使仪器易于失灵土木工程领域的振动控制一般属于后者, 即采用某种措施使结构在动力荷载作用下的响应不超过某一限量, 以满足工程的要求结构振动控制根据是否需要外部能量输入可分为被动控制主动控制半主动控制混合控制及智能控制, 如图 1.1 所示图 1. 1 结构振动控制分类被动控制概述被动控制是在结构的某些部位安装隔震或耗能装置或子结构系统, 或对结构 5

16 绪论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被动控制不需要外部能量输入提供控制力, 控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息, 而且因其具有构造简单造价低易于维护等诸多优点, 成为目前研究和应用较多的技术从控制机理上讲, 被动控制可以分为以下几种类型 : (1) 隔震 : 通过在结构的特定部位设置隔振装置来阻断建筑结构的能量输入, 直接达到减振控制的目的隔震技术只能改善低矮刚性结构的抗震性能, 对柔性高层和高耸结构抗震性能的改善有限, 也不能提高结构的抗风性能 (2) 消能减振 : 通过附加在结构上的一些耗能阻尼器, 如金属屈服阻尼器粘弹性阻尼器流体阻尼器来耗散能量达到减振的目的此时, 建筑结构在进入塑性变形前阻尼器材料先发生屈服, 以耗散大部分能量在风振控制中, 消能减振体系的应用最为常见消能减振体系是把结构物的某些非承重构件设计成消能元件, 或在结构物的某些部位设置阻尼器在风荷载或小震来临时, 这些消能构件与阻尼器仍处于弹性状态, 结构体系仍具有足够的侧向刚度以满足正常的使用要求 ; 在强风或强震作用下, 消能元件或阻尼器首先进入非弹性状态, 产生较大的阻尼, 大量耗散能量, 使主体结构的动力反应减小消能减振装置主要有 : 金属屈服阻尼器摩擦阻尼器粘弹性阻尼器粘性液体阻尼器调谐质量阻尼器调谐液体阻尼器液压质量控制系统和质量泵等其中, 调谐质量阻尼器是应用较广的一种被动装置, 以下将作简要的介绍调谐质量阻尼器 (TMD) 系统是一个小的振动系统, 由质量块弹簧阻尼器组成调谐质量阻尼器系统的工作原理是 : 当在原结构上设置 TMD 系统后, 其动力特性将发生变化, 原结构在外荷载作用下振动的同时,TMD 系统也将随之振动, 并产生控制力反作用于原结构上, 从而减小原结构的动力反应由于 TMD 能有效地衰减结构的动力反应, 且安全经济, 已被广泛应用于高层建筑高耸结构及大跨桥梁的抗震抗风设计中 TMD 体系有三种 :(1) 支承式 ;(2) 悬吊式 ;(3) 碰击式目前,TMD 系统已成功地装置在许多实际工程中, 如澳大利亚 1971 年在 324.8m 的悉尼电视塔上安装了两个 TMD 系统以控制结构的风振反应, 使结构的第一第二振型的阻尼水平从 1% 和 0.4% 增加到 1.2% 和 1.5%, 结构风振加速度 6

17 Degree papers are in the Xiamen University Electronic Theses and Dissertations Database. Full texts are available in the following ways: 1. If your library is a CALIS member libraries, please log on and submit requests online, or consult the interlibrary loan department in your library. 2. For users of non-calis member libraries, please mail to etd@xmu.edu.cn for delivery details.

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