高层建筑设置摩擦摆型调频质量阻尼器的风振控制性能分析与优化

By integrating the concept of Friction Pendulum System (FPS) in seismic isolation and Tuned Mass Damper (TMD) in passive structural control, a new passive energy dissipation system called as Bi-direction Variable FPS type TMD (Bi-directional VFPS-TMD ) was proposed in this research project by considering the Bi-direction response and variable friction coefficient. Several research topics were investigated for this new passive structural control system to further understand its structural behavior and vibration reduction effect. (1) The theoretical analysis and finite element modeling on the dynamic characteristic of the FPS-TMD system; (2) The finite element analysis of the multi-story shear-type structural model implemented with FPS-TMD system would be conducted when it was subjected to simulated earthquake excitation. Numerical analysis results would be also compared with those from the small size shake table test results on the same numerical model. (3) The wind vibration reduction efficency analysis of tall building implemented with atop FPS-TMD system; （4）The structural optimization design of major parameters for FPS-TMD system ; (5) The aero-elastic model wind tunnel test of wind-induced response analysis of such tall building equipped with FPS-TMD passive system. Meanwhile the verification of the numerical analyzed wind-induced response would also be compared with wind tunnel test results. With the integrated study from theoretical analysis，numerical analysis and experimental test, it is estimated that the research results from the proposed project would be helpful for the wind resistant and structural control design of tall buildings implemented with such passive energy dissapation system as the Bi-directional VFPS-TMD system.

本申请项目把摩擦摆系统和调频质量阻尼器相结合，考虑结构双向响应和变摩擦系数因素，提出一种双向变摩擦摆型TMD系统(Bi-directional VFPS-TMD)。针对该系统，主要从以下几个方面展开研究： （1） FPS-TMD系统的动力特征理论分析及有限元模拟；（2）顶部设置FPS-TMD系统的多层剪切型结构模型，在模拟地震波激励作用下的有限元动力响应分析，以及与小型振动台实验结果的验证对比；（3）高层建筑顶部设置有摩擦摆型TMD系统的风致响应及减振效益分析；（4）高层建筑顶部带FPS-TMD系统的结构主要参数优化设计； （5）顶部带FPS-TMD高层建筑的气动弹性模型风洞实验研究。预计通过理论分析，数值模拟和实验相结合的手段，所取得的研究成果将有助于此类被动控制系统在高层建筑抗风设计中的运用。

本项目以新型摩擦摆调谐质量阻尼器（FPS-TMD）系统为例，对顶部设置FPS-TMD系统的高层建筑，其风致响应的理论分析，数值模拟和实验方法，以及风振控制优化算法进行了系统的研究。.本项目在对单向FPS-TMD和双向变摩擦VFPS-TMD系统的力学性能和动力特征进行研究分析的基础上，进行了顶部单向FPS-TMD和双向VFPS-TMD系统的高耸结构和高层建筑，在主体结构阻尼比、主体结构与控制系统质量比、滑道摩擦系数以及滑道摩擦模型等，对主体结构的风致位移，速度和加速度响应的参数化影响分析，探讨了单向FPS-TMD和双向VFPS-TMD系统对高层建筑的风振控制效益。然后采用自适应遗传算法，将结构风致层间位移束、顶层位移和顶层加速度响应作为约束条件，以FPS-TMD系统的滑道摩擦系数、滑道两个方向的半径作为优化设计参数，以高层建筑有无设置FPS-TMD系统的顶部风致位移或加速度均方根之比最小，作为优化设计的目标函数，对顶部带FPS-TMD高层建筑的风振控制优化方法进行了相关研究。.本项目还采用了能量法，等效线性化和自适应基因遗传相结合的方法，研究了FPS-TMD系统的等效阻尼比和等效刚度的估算方法，探讨了功率流算法对顶部设置FPS-TMD系统高层建筑的总有效阻尼比评估的实现思路。.为与理论分析和数值模拟结果相互验证，本项目还研发了基于小型电振动台和NI CompactRIO嵌入式系统的实时混合试验平台，对顶部带FPS-TMD系统高层建筑的风振控制进行了相关实时混合实验研究，通过与理论分析和数值模拟结果的对比，验证了本项目开发的风振控制实时混合试验平台的正确性。.通过本项目对FPS-TMD系统应用于高层建筑风振控制的理论分析，数值模拟和实验相结合的综合性研究，所取得的研究成果，对后续进一步将此类被动控制系统应用于高层建筑抗风及优化控制设计，提供了有益的参考和借鉴。