调频气压液柱阻尼器对偏心结构的减震机理研究

The reduction of the lateral-torsional vibration of eccentric structures under seismic load using tuned liquid column damper is still a worldwide issue needed to be further investigated. In this proposal, taking into account the multi-dimensional earthquake and the neighbouring modes, the theoretical analysis, numerical simulation and experimental research methods are employed to investigate the damping effect of eccentric structures using tuned liquid column gas damper. The novel mathematical model is established and the equations of the relative fluid motion in the TLCGD/tosional TLCGD (TTLCGD), and control forces are derived considering the effects of scloshing, turbulence and flow separation. Optimal spatial placement of the most efficient absorbers is based on the dynamic characteristics of asymmetric structures using the modal center of velocity and genetic algorithm methods. The matrix equations of motion for the TLCGD/TTLCGD-structure are established, and modal tuning of the TLCGD is derived. The damping effect of high, medium, and low eccetric structures under minor, moderate and rare earthquake are assessed by MATLAB program . An equivalent calculation method for structural vibration control of a transforming TLCGD/TTLCGD-structure to TMD/TTMD-structure system is proposed. Numerical simulation of a real eccetric building using the finite element software vertifies the feasibility of this method. The vibration reducing capabilities of TLCGDs/TTLCGDs are vertifed through shake table experiment of three-storey double-axis eccentric steel structure. Damping principle, parameter optimization and design method of finite element simulation are revealed in this project, providing the theroetical basis of application and promotion in pratical engineering of the similar absorbers.

在地震作用下采用调频液柱阻尼器减小偏心结构平扭耦联振动的难题仍需进一步研究。项目考虑多维地震作用和多阶振型，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的研究方法，研究调频气压液柱阻尼器对偏心结构的减振效果。考虑液面晃动等因素建立新的数学模型推导阻尼器运动方程和控制力；根据结构动力特性采用速度瞬心和遗传算法优化阻尼器空间位置；建立偏心结构控制体系耦联运动方程，得出阻尼器模态参数的计算公式；编写MATLAB程序来评估在小震、中震及罕遇地震作用下调频气压液柱阻尼器对高、中、低层偏心结构的减震效果；提出调频气压液柱阻尼器转化为调谐质量阻尼器对结构减振控制的计算方法，并利用有限元软件对一偏心结构实际工程进行数值分析验证该方法可行性；最后对三层双向偏心钢结构模型进行振动台试验来验证阻尼器的减震效果。项目揭示阻尼器减震原理、给出参数优化和有限元程序仿真的理论设计方法，为其在实际工程应用与推广提供理论依据。

历次地震的震害经验表明，偏心结构在地震作用下的扭转耦联反应是造成结构抗震性能退化的重要原因，应用改良TLCD这种低造价高性能被动减震装置对减少偏心结构在地震中损伤和破坏具有重要的现实意义和重大的社会效益。. 本项目考虑多维地震作用和多阶振型，采用理论推导、数值分析和实验研究相结合的研究方法，研究TLCGD/TTLCGD对偏心结构的减振效果，主要研究内容包括：1.采用广义伯努利液态方程建立TLCGD刚性管道系统中理想液体的运动方程，利用动量和角动量守恒得到TTLCGD与建筑结构在振动过程中发生的相互作用力和力矩。根据倾斜管道投影点A与倾斜角的不同推导出3种情况TTLCGD运动方程和作用力。2.采用速度瞬心和遗传算法布置阻尼器，由模态速度瞬心和GADS遗传算法工具箱得到阻尼器优化布置大致相同，这两种方法都能快速便捷的得到阻尼器在偏心结构楼面的最佳空间位置。3.阻尼器的调谐频率比和阻尼比的优化设计分为两个步骤：1）当考虑单个TLCGD控制偏心结构的某个振型时，采用振型分解得到广义坐标方程，将TLCGD-偏心结构体系转化为TTMD-偏心结构体系，利用Ikeda公式得到扭转调频液柱阻尼器的优化参数。2）结构设置多个TLCGD时，必须考虑邻近其他振型的影响，把TLCGD -结构系统的运动方程写成状态空间方程形式，通过MATLAB编程调用优化工具箱中fminsearch命令，Ikeda参数优化值作为初始值，优化 TLCGD的参数。4. TLCGD 等效转化为TMD 进行数值模拟，一般需要两个步骤：首先确定TLCGD中液体质量和结构振型归一化模态质量得到质量比，得到TMD质量与等效结构模态质量比。再由于TLCGD中液体质量有一部分作为附加质量作用于主结构上，结构振型归一化模态质量发生改变。通过大量算例得出TLCGD/TTLCGD能有效控制结构平移-扭转响应。进一步研究TLCD-基础隔震减振效果，建立了单层和多层基础隔震框架结构装设调频液柱阻尼器后混合控制系统在地震作用下的运动方程，利用上述方法设计TLCD参数，通过算例和试验得出混合结构不仅可以减小隔震层位移和加速度，而且对上部结构位移和加速度反应都能更有效的控制。