基于负刚度-阻尼控制系统的结构减振控制研究

Negative stiffness can reduce the natural vibration period and shear of the structure. However, stiffness degradation will lead to the increase of displacement, which needs to be limited by additional damper. This project will focus on how to reduce the structural vibration by the existing.negative stiffness – damping system, through the theoretical analysis, numerical simulation and experimental test. This project will propose the optimum design method of self-adaptation strategy. A new spectrum for bilinear elastic system will be built to study the influence of key parameters, such as negative stiffness, damping coefficient and the length of gap. An innovative approach will be presented to optimize the values of the negative stiffness and damping coefficient in the upper-structure. Placement rule and parameter design of the devices using in upper-structure will also be studied. The effectiveness will be validated by the numerical simulation and experimental test. This project to investigate the negative stiffness is important to the structural vibration suppression.

负刚度装置能够降低受控结构自振周期，减小结构所受剪力，但由于刚度的降低，结构位移会增大，需要采用阻尼器控制位移响应。本项目针对已有的被动负刚度-阻尼控制系统，拟采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，研究结构中的负刚度-阻尼控制系统在地震动力作用下对结构的减振机理及减振控制策略。提出被动负刚度装置的自适应策略优化设计方法，研究不同激励水平下的负刚度装置的控制策略；提出变刚度变阻尼的双线性弹性系统反应谱，研究负刚度-阻尼控制系统中负刚度、阻尼及装置触发位移等关键参数对控制效果的影响；提出负刚度和阻尼在上部结构中的优化布置方法，研究被动负刚度装置和阻尼器在上部结构的布置规律和装置参数设置，并通过试验结果和数值模拟的对比来进行验证，从而提出了减振控制策略。本项目对被动负刚度-阻尼控制系统实际应用的研究，对结构抗震减振具有重要的意义。

本研究以负刚度控制系统为基础，对其进行了更深入、更完善的研究，具体工作内容如下：.（1）提出并制作了一种新型旋转叶片粘滞阻尼器，利用MTS万能试验机对其性能进行了详细测试，得到不同位移幅值、不同加载频率下的滞回曲线，研究了不同加载方式下阻尼器的力学性能。根据阻尼器工作原理建立了力学模型，将数值模拟与试验结果进行了对比，验证了理论模型的有效性。.（2）利用遗传算法对轨道式负刚度装置的母线方程进行了优化设计，选取影响装置力学性能的两个关键参数进行优化；以舒适性和安全性为指标，设计了兼顾二者的优化目标函数。采用与适应性相关联的交叉和变异算子，既能保护种群中优良个体不被破坏，又能提高其收敛性。在智能隔振Benchmark模型中对其控制效果进行优化，结果表明优化布置能够明显提高负刚度装置控制效果。.（3）针对轨道式NSD的控制特点进行优化布置研究，并提出五种不同倾向的优化目标函数。以一栋十层钢混框架结构为例，比较了不同目标函数的优化效果，最终选择了兼顾加速度控制和位移控制的目标函数对轨道式NSD进行优化布置。结果表明，高层结构中负刚度装置应布置在结构中下部分，轨道式NSD的减震率分别为47.85%和40.29%。负刚度装置除了用于隔震结构的控制外，还可以有效地控制高层结构的地震反应。通过优化布置，可以在保证控制效果的前提下将位移响应控制在可接受范围内。提出的优化方案有较好的稳定性，适用于不同强度、不同地震波激励下的结构控制优化布置。.（4）建立负刚度受控体系的力学模型，选取二十条地震动记录作为激励，研究“弱化位移”、“弱化刚度”两个关键参数对受控体系响应的影响。建立负刚度受控系统加速度反应谱，为负刚度控制系统的设计提供参考依据。