帶有分布參數(shù)的串聯(lián)體系地震響應(yīng)分析及智能控制.pdf

1、帶分布參數(shù)的串聯(lián)體系是土木工程中常見的結(jié)構(gòu)體系，比如：高壓電氣設(shè)備支架串聯(lián)結(jié)構(gòu)、高層框架結(jié)構(gòu)、高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等。由于這類串聯(lián)體系既有集中參數(shù)又有分布參數(shù)，而且集中參數(shù)與分布參數(shù)的節(jié)點(diǎn)又有柔性連接的情形，同時(shí)在地震作用下會(huì)產(chǎn)生較大的傾覆彎矩，因此在地震作用下帶分布參數(shù)的串聯(lián)體系地震響應(yīng)求解、被動(dòng)隔震及智能隔震比較復(fù)雜。為此本文針對(duì)帶分布參數(shù)的串聯(lián)體系地震響應(yīng)求解、被動(dòng)隔震及智能隔震的幾個(gè)熱點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題展開研究，其中主要的工作有以下幾

2、方面：
　　 (1)首先以單節(jié)柔性節(jié)點(diǎn)高壓電氣設(shè)備為研究對(duì)象建立單節(jié)分布參數(shù)串聯(lián)體系的動(dòng)力分析模型，通過(guò)分布參數(shù)梁振動(dòng)理論，避免對(duì)結(jié)構(gòu)的離散，集中參數(shù)通過(guò)邊界條件的引入，推導(dǎo)出其頻率方程，根據(jù)Betti定律，推導(dǎo)出具有單節(jié)帶分布參數(shù)柔性節(jié)點(diǎn)串聯(lián)體系的正交條件，應(yīng)用此正交條件對(duì)集中參數(shù)與分布參數(shù)的振動(dòng)方程解耦，推導(dǎo)出該單節(jié)帶分布參數(shù)串聯(lián)體系的廣義質(zhì)量及廣義荷載，進(jìn)一步通過(guò)振型疊加的方法求解結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。仿真結(jié)果表明，該半解析法與

3、有限元法計(jì)算結(jié)果相一致，說(shuō)明該半解析法的正確性。最后將上述方法應(yīng)用于多節(jié)柔性節(jié)點(diǎn)帶分布參數(shù)串聯(lián)體系，求解多節(jié)柔性節(jié)點(diǎn)高壓電氣設(shè)備支架串聯(lián)體系的地震響應(yīng)。
　　 (2)建立了高層剪力墻結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析簡(jiǎn)化模型，仿照推導(dǎo)柔性節(jié)點(diǎn)帶分布參數(shù)串聯(lián)體系地震響應(yīng)半解析解的方法，推導(dǎo)出多節(jié)剛性節(jié)點(diǎn)帶分布參數(shù)串聯(lián)體系——高層剪力墻結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的半解析解；進(jìn)一步建立了高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析模型，框架結(jié)構(gòu)部分對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響通過(guò)邊界條件的引入，

4、然后通過(guò)應(yīng)用求解多節(jié)剛性節(jié)點(diǎn)帶分布參數(shù)地震響應(yīng)的求解方法求解框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。仿真結(jié)果顯示，建立的高層結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析簡(jiǎn)化模型優(yōu)于懸臂梁模型，而且本文推導(dǎo)的求解地震響應(yīng)的半解析解是正確的及計(jì)算工作量小。
　　 (3)通過(guò)并聯(lián)橡膠隔震支座，實(shí)現(xiàn)以帶分布參數(shù)的高架電氣設(shè)備支架串聯(lián)體系的隔震，然后建立高架電氣設(shè)備支架串聯(lián)隔震體系的力學(xué)模型，通過(guò)串聯(lián)體系集中參數(shù)與分布參數(shù)的振動(dòng)方程，推導(dǎo)出該串聯(lián)隔震體系的頻率方程、振型正交條件、廣

5、義質(zhì)量與廣義剛度，由于該串聯(lián)隔震體系為非比例阻尼體系，通過(guò)把該串聯(lián)隔震體系的非比例阻尼分解為比例阻尼部分和非比例阻尼部分，非比例阻尼部分由隔震支座的阻尼所引起，應(yīng)用Hamilton原理推導(dǎo)出非比例阻尼部分等效振型阻尼，從而實(shí)現(xiàn)該體系運(yùn)動(dòng)方程的解耦，通過(guò)振型疊加法進(jìn)行該串聯(lián)隔震體系地震響應(yīng)的求解。最后進(jìn)行有限元軟件數(shù)值積分法求解的地震響應(yīng)與該半解析法求解地震響應(yīng)的比較，分析半解析法求解地震響應(yīng)的正確性及隔震技術(shù)的有效性。
　　 (

6、4)針對(duì)以高層建筑為研究對(duì)象的帶分布參數(shù)串聯(lián)體系，研制出雙向抗拔滑動(dòng)裝置，該雙向抗拔滑動(dòng)裝置既能抵抗拉力又能承受壓力。將該裝置設(shè)置于隔震層較大拉力的位置，與夾層橡膠隔震墊同時(shí)使用，當(dāng)高層建筑在地震作用下傾覆力矩較大時(shí)，該雙向滑動(dòng)裝置可以抵抗傾覆力矩產(chǎn)生的拉力，使夾層橡膠隔震墊處于受壓狀態(tài)。然后建立剛性節(jié)點(diǎn)帶分布參數(shù)串聯(lián)隔震體系力學(xué)模型，用推導(dǎo)多節(jié)柔性節(jié)點(diǎn)帶分布參數(shù)串聯(lián)隔震體系地震響應(yīng)求解的方法進(jìn)行推導(dǎo)求解剛性節(jié)點(diǎn)帶分布參數(shù)串聯(lián)隔震體系地

7、震響應(yīng)的半解析解。
　　 (5)針對(duì)帶分布參數(shù)的串聯(lián)體系，借用本課題組提出的序列最優(yōu)控制算法，推導(dǎo)出序列最優(yōu)模態(tài)控制算法，然后用該算法進(jìn)行帶分布參數(shù)串聯(lián)體系的智能隔震。由于序列最優(yōu)模態(tài)控制算法振動(dòng)控制時(shí)需要結(jié)構(gòu)全狀態(tài)，在工程應(yīng)用中難于實(shí)現(xiàn)，因此，提出了針對(duì)序列最優(yōu)模態(tài)控制算法的全維狀態(tài)觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)在振動(dòng)控制時(shí)只要測(cè)量容易測(cè)量的狀態(tài)，然后通過(guò)全維狀態(tài)觀測(cè)器重構(gòu)結(jié)構(gòu)的全部狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)序列最優(yōu)模態(tài)控制算法用于帶分布參數(shù)串聯(lián)體系的振動(dòng)

8、控制。由于在線實(shí)時(shí)控制過(guò)程中，結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)量、在線計(jì)算和驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)都需要消耗時(shí)間，因此時(shí)滯是不可避免的，為了解決時(shí)滯問(wèn)題，提出了將徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和序列最優(yōu)模態(tài)控制算法有機(jī)結(jié)合而形成的序列最優(yōu)預(yù)測(cè)模態(tài)控制器，仿真結(jié)果表明，在無(wú)時(shí)滯與有時(shí)滯情況下該控制器的控制效率良好。
　　 (6)在雙向抗拔滑動(dòng)裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出雙向壓電變摩擦控制裝置，該控制裝置可以在兩個(gè)方向滑動(dòng)產(chǎn)生控制力，進(jìn)一步推導(dǎo)出該控制裝置應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的半主動(dòng)控制算法

9、。最后設(shè)計(jì)出一壓電變摩擦控制裝置，進(jìn)行數(shù)值仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，將該控制裝置應(yīng)用于帶分布參數(shù)串聯(lián)體系的智能隔震，顯示出良好的控制效果。
　　 (7)對(duì)目前進(jìn)行地震響應(yīng)分析及振動(dòng)控制仿真軟件Simulink作了詳細(xì)介紹，講述了Simulink仿真地震響應(yīng)及振動(dòng)控制的技術(shù)。講述Simulink的擴(kuò)展工具——S-函數(shù)的工作原理，用Simulink/S-函數(shù)實(shí)現(xiàn)序列最優(yōu)模態(tài)控制算法變?cè)鲆婢仃嚨募夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)序列最優(yōu)模態(tài)控制算法的模塊化。最后通

10、過(guò)Simulink軟件分別建立經(jīng)典最優(yōu)控制算法、線性二次型高斯算法和序列最優(yōu)控制算法及基于狀態(tài)觀測(cè)器的序列最優(yōu)模態(tài)控制算法的仿真模塊圖。
　　 (8)在理論研究和計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了帶分布參數(shù)體系的動(dòng)力響應(yīng)、隔震的掃頻振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。設(shè)計(jì)出壓電變摩擦控制裝置，并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，然后將該控制裝置用于帶分布參數(shù)隔震體系，分別進(jìn)行應(yīng)用Passive-on與Passive-off算法的帶分布參數(shù)串聯(lián)隔震體系振動(dòng)控制的掃頻振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，