颗粒调谐质量阻尼系统对建筑结构的减振性能研究

Particle tuned mass damping system is a creative combination of particle damping technology and tuned mass damping technology. It can effectively broaden the vibration control frequency bandwidth of tuned mass dampers and improve the control efficiency together with durability. It also provides an alternative way to apply the particle damping technology in structural engineering. This project will explore the damping mechanism of such a new vibration damping system with its application in structural control area. Through shaking table tests, wind tunnel tests and corresponding numerical analysis, the project will summarize the damping law, reveal the physical nature and focus on the seismic and wind vibration reduction performance of this combined damping technology. It will also establish a fine discrete element model and an equivalent simple algorithm to analyze the main structure with particle tuned mass damping system, perform parametric sensitivity study and optimization analysis, propose a reasonable design method, and finally present the corresponding core technology, design procedure, construction, fabrication, installation and testing requirements to guide the engineering applications. Further study of the performance of such a system has important theoretical and engineering significance to propose a new solution for passive control technology of civil infrastructures.

颗粒调谐质量阻尼系统是对颗粒阻尼和调谐质量阻尼有机结合的新型阻尼系统，既能有效拓宽调谐质量阻尼的减振频带、提高减振效率和耐久性，又为颗粒阻尼的结构工程应用提供了实现途径。本课题将探索该新型阻尼系统的减振机理及应用于建筑结构振动控制的效果。通过振动台和风洞模型试验，以及相应的数值理论分析，总结减振规律，揭示工作机理和物理本质，着重考察对于地震和风振的振动控制效果；建立建筑结构附加该阻尼系统的精细离散元模型和等效简化算法，进行参数敏感性分析及优化分析；提出合理的设计方法，明确相应的核心技术、设计流程、构造、制作、安装和测试要求，并用于指导工程实践。深入开展该组合减振技术的理论和试验研究，有助于透彻理解该类非线性系统的减振机理，对于提出一种新的建筑结构被动控制技术的解决方案具有重要的理论和工程意义。

颗粒调谐质量阻尼系统是对颗粒阻尼和调谐质量阻尼有机结合的新型阻尼系统，既能有效拓宽调谐质量阻尼的减振频带、提高减振效率和耐久性，又为颗粒阻尼的结构工程应用提供了实现途径。本课题通过振动台试验、风洞模型试验、数值分析以及参数优化对颗粒调谐质量阻尼系统的减振机理及应用于建筑结构振动控制的效果进行了研究，揭示了其工作机理和物理本质。五层钢框架的对比试验表明在不同地震作用下，颗粒调谐质量阻尼系统均能达到较好的减震效果，其中在上海人工波作用下的减震效果最好（均方根位移与加速度响应减震率分别达到72.17%与70.99%）；另外，合理的参数选取更有利于发挥颗粒调谐质量阻尼系统的性能，开展了附加颗粒调谐质量阻尼系统的气弹风洞试验（缩尺比为1：200），试验研究表明颗粒调谐质量阻尼系统对高层建筑风致振动响应有良好的减振控制效果，控制合理的颗粒密度、增加颗粒数量、加剧颗粒之间的碰撞等均可以提高其减振效果；基于多颗粒等效原则建立颗粒调谐质量阻尼器的数值模型，数值模拟结果与试验结果整体吻合较好，峰值加速度吻合较好，而均方根加速度也可以将误差控制在可接受的范围内；通过微分演化算法对颗粒调谐质量阻尼系统进行了全局优化，相比于传统设计，优化设计的减振率提高了约50%；最后，提出合理的实用设计方法，明确相应的核心技术、设计流程、构造、制作、安装和测试要求，并用于指导工程实践。本课题展示了颗粒调谐质量阻尼系统在土木工程应用的巨大前景，为土木结构振动控制的发展提供了另一种有效的途径，具有重要的理论意义和工程应用价值。