宽能量轨道非线性能量阱对复杂结构的减振控制研究

Track nonlinear energy sink is a new type of passive structural control technology which exhibits high effectiveness in vibration mitigation of building structures and robustness against the changes in structural stiffness. The nonlinear restoring force of the track nonlinear energy sink is realized by an auxiliary mass moving on a specially designed track. In the current study, the track nonlinear energy sink is found to be energy-dependent and the primary structures are considered linear and with relatively low degrees-of-freedom. The program to study the performance of energy-robust track nonlinear energy sink on nonlinear multi-degree-of-freedom structures is therefore proposed to address these issues. Firstly, new configurations will be applied to the track nonlinear energy sink to improve its robustness against input energy. Different track nonlinear energy sinks attached to nonlinear structures with more degrees-of-freedom will then be compared analytically and numerically under impulsive, seismic, wind, and blast excitations. After a comprehensive investigation on the efficiency and robustness of these improved track nonlinear energy sinks, the physically applicable devices will be further validated by shake table tests. The experimental results are essential to future realization of track nonlinear energy sinks in actual structures. Finally, a design method for the energy-robust track nonlinear energy sink will be suggested based on systematical analyses involved in this study. This program aims to effectively reduce the response of building structures in a sense of broad-frequency and broad-energy, and will be of great significance to the safety of the structures.

轨道非线性能量阱是一种新型被动结构控制技术，由附加质量在轨道上运动产生非线性回复力，对主体结构刚度变化鲁棒性好，可以有效降低建筑结构反应。但现有研究中，轨道非线性能量阱对输入能量依赖较大，主体结构为线性简单结构。本项目提出的复杂结构使用宽能量轨道非线性能量阱的研究，将着力解决上述问题。本项目将深入探索提高轨道非线性能量阱能量鲁棒性的方法，同时采用多自由度非线性结构作为主体结构对轨道非线性能量阱进行减振控制分析。通过理论解析与数值模拟相结合，对比不同改进方法的减振效果，考察脉冲荷载、地震作用、风荷载、爆炸荷载等作用下的宽能量轨道非线性能量阱对复杂结构的减振性能。选择具有应用潜能的宽能量轨道非线性能量阱进行振动台试验，验证理论与数值模型的正确性，讨论实现方法。建立宽能量轨道非线性能量阱的实用设计方法。本项目的实施对保障建筑结构安全具有重要意义。

轨道非线性能量阱（轨道NES）属于被动质量阻尼器，具有减振效率高、频率鲁棒性强等特点，但轨道NES的控制性能受输入能量影响较大。本项目在轨道NES的基础上提出了几类新型NES，具有宽频宽能量的特点，能够适应激励大小和主体结构频率的变化。新型NES的改进方法包括：1）调整控制参数；2）增设碰振装置；3）引入负刚度单元；4）线性与非线性结合。其中在调整控制参数方面，优化了装置阻尼；在地震作用下采用了三阶多项式轨道NES；将轨道函数按能量大小分为两段，提出了DS轨道NES；将轨道函数设置为两项多项式，提出了DT轨道NES。在增设碰振装置方面，优化了碰振型轨道NES中的碰撞参数；得到了不同轨道形状对应的最佳单边碰撞距离和双边碰撞距离；提出了竖向碰振轨道NES。在引入负刚度单元方面，在轨道函数中增加系数为负的二阶多项式，提出了具有多个能量域的负刚度轨道NES。在线性与非线性结合方面，将线性弹簧和非线性弹簧分别连接在质量运动的两个方向，提出了单质量NES；将线性质量和非线性质量联合使用，提出了双质量NES；将非线性质量拉离平衡位置并增设线性弹簧单元，提出了非对称NES。本项目对所提出的新型NES进行了理论分析，建立了数学模型；在MATLAB中完成了数值模拟，系统地分析了各装置包括有效性、鲁棒性和经济性等在内的综合控制性能，考察了地震作用下的减震效果。同时，本项目还对几类新型NES进行了动力试验，制作了三层钢框架主体结构模型，该主体结构可通过增减柱构件改变自振频率；设计了负刚度轨道NES、双质量NES、非对称NES等几类控制性能较好的新型NES的实际装置；考察了主体结构完好和损坏时各装置的减振性能，试验结果与数值模拟结果吻合良好。最后，本项目还建立了复杂主体结构模型，考察了几类新型NES在复杂结构中的控制性能，总结了设计方法。结果显示，新型NES极大得拓宽了原有轨道NES的有效能量范围，控制性能优越，有助于非线性结构控制技术在实际工程中的推广和应用。