建筑结构负刚度减振控制研究

Negative stiffness can increase the structural damping ratio and reduce the natural vibration period so that the structural vibration can be suppressed.This project will focus on how to reduce the structural vibration by the existing negative stiffness device, through the theoretical analysis, numerical simulation and experimental test. This project will propose the method to simplify the structural dynamic computation with the consideration of the nonlinear model for negative stiffness device. An innovative approach will be presented to optimize the values of the negative stiffness in the upper-structure. In order to realize the optimized stiffness value, the components of the negative stiffness device would be adjusted or changed.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.

结构中的负刚度可以增大结构的阻尼比，降低结构的自振周期，减小结构的地震反应。本项目针对已有的被动负刚度装置，拟采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，研究结构中的被动负刚度装置在地震动力作用下对结构的减振机理及减振控制策略。提出考虑带有刚度非线性负刚度装置的结构简化计算方法，研究被动负刚度装置在结构动力反应计算中的减振机理并建立优化目标函数；提出被动负刚度装置在结构中的优化布置方法，研究安装于上部结构各层中的被动负刚度装置负刚度值的优化设计问题；根据负刚度优化设计值，对被动负刚度装置的可调参数部件进行调节，或对负刚度装置进行改进，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装置实际应用的研究，对结构抗震减振具有重要的意义。

1）结合被动负刚度装置的非线性力学模型，针对这种带有被动负刚度装置的结构非线性动力模型，提出双线性模型的简化计算方法；将负刚度应用于上部结构中，提出同伦方法优化计算上部结构各层所需的负刚度值，解决了该双线性非凸优化问题；提出了多自由度双线性结构等效单自由度体现方法，创新给出了双线性结构反应谱，实现了在结构设计中考虑负刚度因素的方法。2）提出了一种新型轨道式负刚度装置，并通过振动台试验对其力学性能进行了研究。通过循环加载得到不同弹簧预压缩量下负刚度装置的滞回曲线；通过扫频试验测试了负刚度装置的频响性能。提出了负刚度装置的设计方法，建立了轨道式负刚度装置的理论模型，并对其滞回性能进行了数值模拟，试验结果与模拟结果吻合较好。3）提出了一种新型多维SMA阻尼器，并在万能试验机上对其力学性能进行了测试。20℃室温环境中，在不同加载频率和不同幅值的正弦激励下，分别测试了SMA丝不同初始应变时阻尼器的滞回性能。对阻尼器扭转性能也进行了测试。建立了多维SMA阻尼器的理论模型，并对其在周期荷载下的力学性能进行了数值模拟，不同幅值下的模拟结果均与试验结果吻合较好，验证了理论模型的有效性。将轨道式负刚度装置和多维SMA阻尼器配合使用，构成负刚度减震系统，提出了负刚度减震系统的优化设计方法。