原创《超高结构黏滞阻尼系统风振减振优化设计方法》：这是一篇与优化设计论文范文相关的免费优秀学术论文范文资料,为你的论文写作提供参考。
摘 要：随着超高结构高度的不断增加,结构的自振频率和强风的卓越频率越来越接近,结构的风振舒适度问题变得愈发显著.黏滞阻尼器是一种无刚度的速度相关型阻尼器,可以有效减小结构在地震作用和风荷载下的振动响应.以反向肘节式黏滞阻尼系统为研究对象,建立了反向肘节式黏滞阻尼系统几何参数优化的数学模型,并提出了反向肘节式黏滞阻尼系统几何参数优化的方法.此外,还提出了一种超高结构黏滞阻尼系统风振减振优化设计方法,该方法可以求得在满足舒适度、阻尼器在50年一遇风下最大功率、中震最大出力约束条件下,黏滞阻尼系统的最优布置位置、数量和阻尼系数.最后以某250m超高层住宅为工程案例,验证提出的超高结构黏滞阻尼系统风振减振优化设计方法的有效性和适用性.
关键词：超高结构；风致振动；黏滞阻尼器；优化设计
中图分类号：TU973.2+13 文献标志码：A 文章编号：1004-4523（2018）01-0012-08
DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2018.01.002
引言
随着超高结构高度的不断增加,超高结构变得更加细柔,结构的自振频率和强风的卓越频率越来越接近,结构的风振舒适度问题变得愈发显著.舒适度性能已经成为超高结构设计的关键设计约束,对于超高层住宅这种具有较高舒适度性能要求的建筑而言,更是如此.
由于超高结构对风荷载比较敏感,因此合理的抗风设计对结构安全性和经济性具有重大的意义.黏滞阻尼器是一种无刚度的速度相关型阻尼器,具有耗能能力强,不提供附加刚度,阻尼力和位移异相位等优点.大量的工程实践证明黏滞阻尼器是一种可以有效吸收和耗散地震作用和风荷载的耗能装置,比如波士顿亨廷顿111大楼、北京银泰中心、天津国贸中心、旧金山四季酒店、波士顿千禧广场等.
然而,由于风荷载作用下结构的层间位移和层间相对速度较小,将黏滞阻尼器应用在刚性结构体系中耗能效果并不太好.肘节式黏滞阻尼系统是一种有效的运动放大装置,可以放大阻尼器在风荷载和地震作用下的变形,从而显著提高阻尼器的耗能效率.
目前,文献中已经有很多关于黏滞阻尼器位置、数量和阻尼系数优化的研究.zhang和soong提出了顺序搜索算法以找到黏弹性阻尼器的最优布置位置和数量.Garcia在此基础上提出了简化的顺序搜索算法以找到线性黏滞阻尼器或者其他线性被动控制装置的最优布置位置和相应的阻尼系数.Lavan和Amir提出了一种基于材料插值技术的黏滞阻尼器型号、布置位置和阻尼系数优化方法.汪大洋和周云采用遗传算法和阻尼控制技术来优化阻尼器的阻尼系数.Lavan和Levy采用割平面法在结构最大位移的约束条件下对框架结构的附加阻尼器进行了优化.Adachi等证明了层间最大相对速度的分布是一个确定黏滞阻尼器分布的关键指标,并提出了一个简化的评估每一层需要的阻尼力的步骤.孙树立等研究了消能减震结构基于响应面法的非线性黏滞阻尼器阻尼系数的优化设计方法.张志强等提出了一个双动力模型来进行带阻尼器结构的风致振动分析,并对阻尼器的阻尼系數进行了优化,使结构的风致响应最小.
目前大多数关于阻尼器位置、数量和参数优化的研究主要解决的是线性黏滞阻尼器在平面框架结构上的布置优化问题,很少能够解决非线性黏滞阻尼器在超高层结构上的布置优化问题.
1肘节式黏滞阻尼系统几何参数优化
肘节式黏滞阻尼系统根据几何构造的不同,可分为上肘节、下肘节和反向肘节3种布置方式,如图1所示.从图1中可以看出,相对于反向肘节布置方式,上肘节和下肘节布置方式都存在一些缺点.一是为了使位移放大系数取得最大值,阻尼杆需和支撑杆形成90°直角,这样阻尼杆便和楼面梁直接相连.阻尼力将会直接作用于楼面梁上,对楼面梁的设计不利；二是上肘节和下肘节布置方式占据了较多的空间,影响建筑门窗开洞.而反向肘节式的布置方式则不存在这样的缺点,阻尼杆和梁柱节点相连,并且具有足够的空间用于建筑门窗开洞.因此本文将以反向肘节式黏滞阻尼系统为研究对象,介绍其几何参数优化方法.
反向肘节式黏滞阻尼系统的示意图如图2所示.区格的变形主要由弯曲变形和剪切变形两部分组成,其中弯曲变形是由下部的墙柱等竖向构件的轴向变形导致区格发生整体转动而引起的,这部分变形不会引起阻尼器发生相对运动.反向肘节式阻尼器的轴向变形uD可用位移放大系数f乘以区格剪切变形引起的水平变形u来表示：
（2）式中
ub为节点b相对于节点d的水平变形；va和vb分别为节点a和b相对于节点d的竖向变形；H和L分别为区格的高度和跨度.
反向肘节式黏滞阻尼系统有3个角度变量θ1,θ2,θ3和3个长度变量l1,l2,l3,只要其中任意两个变量确定之后,反向肘节式装置其他4个变量都可以由几何条件唯一确定.从式（1）可以看出,当θ1等于θ3时,即l1⊥l3,在其他条件相同的情况下,位移放大系数的分子取得最大值.因此,为使反向肘节式黏滞阻尼系统的位移放大作用最大化,应使θ1等于θ3.这样一旦反向肘节式黏滞阻尼系统的几何参数θ1确定,其他几何参数也可以确定.此外,当θ1+θ2等于90°时,位移放大系数取得无穷大值,此时意味着反向肘节式装置成为一个瞬变体系,阻尼器任何微小的变形都会被无限放大而使阻尼器发生破坏.实际的肘节式装置应当是当支撑杆和阻尼杆角度发生微小的变化时,不会引起放大系数产生较大的变化.constantinou等建议在评估肘节式黏滞阻尼系统对角度的敏感性的时候,宜考虑±0.3.的角度变化.为了避免位移放大系数取得过大的值,经过不断试算,本文建议当θ1变化±0.3°时,位移放大系数的变化量应小于0.2,且位移放大系数不应超过4.
优化设计论文参考资料：
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