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高层建筑风振的MRFD与轻型AMD混合控制系统研究

作 者: 楼群
导 师: 施养杭
学 校: 华侨大学
专 业: 工程力学
关键词: 轻型AMD 分布型MRFD 混合控制系统高层建筑抗风性能减振技术 Benchmark
分类号: TU973.32
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


结构振动控制是结构工程领域的研究热点之一,对发展高层建筑技术有十分重要的意义。在诸多控制方案中,AMD(Active Mass Damper,主动质量阻尼器)是最具代表性的主动控制方案,效果出色;但因技术复杂、成本高昂、耗能过大等缺点,仍难以在实践中推广;MRFD(Magneto Rheological Damper,磁流变液阻尼器)是实践应用较多的半主动控制方案之一,效果优良,成本合理,稳定性强,外部能量依赖度低,但控制能力不如主动控制。本文基于76层抗风Benchmark模型对AMD控制和MRFD控制进行了180秒的风致动力响应仿真分析,讨论了两者的工作原理与控制效果,分析了参数敏感性和控制力性质。为设计一种结合AMD和MRFD优点的混合控制方案,对两种控制方式进行了技术改造:讨论了结构振动控制系统的架构问题,研究了不同系统架构的鲁棒性差异,提出以最优鲁棒性为目标的分布型半主动MRFD控制系统及改进的Skyhook型决策算法表达式;提出轻型化的AMD用于完成建筑结构振动控的制辅助性工作的设计理念,并推导了适合轻型AMD的改造后的LQR(LinearQuadratic Riccati,线性二次型Riccati最优)控制算法。在以上技术改造的基础上,把分布型MRFD与轻型AMD控制技术相结合,提出了MRFD与轻型AMD混合控制方案。为验证该体系的控制能力,依托76层抗风Benchmark模型对安装有该混合控制系统的结构进行仿真分析,结果显示MRFD与轻型AMD混合控制方案控制效果优秀,与重型AMD的控制效果相仿,优于MRFD。分析了该混合控制系统的工作特性,分别对轻型AMD部分和MRFD部分的工作状况进行研究,明确了混合系统之间相互补偿的原理。综合本文的研究,笔者认为,MRFD与轻型AMD混合控制方案是一种控制效果好、鲁棒性高、成本相对低廉、对外部能源依赖程度较小、具有很高的实践推广价值的控制方案。最后,文章对MRFD与轻型AMD混合控制方案尚待研究的一系列问题作总结,预测了结构振动的混合控制技术发展方向。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-8
第1章 引言  8-30
  1.1 选题背景与研究意义  8-13
  1.2 结构主动控制的国内外研究现状  13-17
    1.2.1 主动控制算法  13-14
    1.2.2 主动控制的技术方案  14-16
    1.2.3 主动控制的不足和发展方向  16-17
  1.3 半主动控制的国内外研究现状  17-21
    1.3.1 半主动控制的技术方案  17-20
    1.3.2 半主动控制的优势和不足  20-21
  1.4 混合控制的国内外研究现状  21-23
    1.4.1 当前的研究与应用  21-23
    1.4.2 未来的研究方向  23
  1.5 结构振动控制的 Benchmark 问题  23-27
  1.6 本文的主要工作与创新点  27-30
    1.6.1 本文的主要工作  27-29
    1.6.2 本文的主要创新点  29-30
第2章 高层建筑的 AMD 最优控制设计  30-54
  2.1 最优控制的基本原理  30-33
    2.1.1 状态空间中的线性动态系统  30-32
    2.1.2 线性二次型最优控制  32-33
  2.2 第三代 76 层混凝土建筑抗风 Benchmark 模型  33-39
    2.2.1 工程概况  34-35
    2.2.2 模型概况  35-39
  2.3 AMD 控制算例  39-49
    2.3.1 计算参数的设定  39-41
    2.3.2 动力响应仿真结果与讨论  41-47
    2.3.3 控制装置工作参数比较  47-49
  2.4 AMD 控制的优化设计  49-54
    2.4.1 质量比和阻尼比的影响  49-52
    2.4.2 权矩阵 Q 和 R 的影响  52-54
第3章 高层建筑的 MRFD 半主动控制设计  54-77
  3.1 MRFD 阻尼器的原理与建模  54-60
    3.1.1 Bingham 及其衍生模型  54-56
    3.1.2 双粘塑性模型  56-57
    3.1.3 Bouc-Wen 模型及其改进  57-59
    3.1.4 具有 Bouc-Wen 特性的 tanh 函数模型  59-60
  3.2 最优控制力的 MRFD 实现方法及误差  60-62
  3.3 MRFD 控制算例  62-73
    3.3.1 对照组和计算参数的设定  62-63
    3.3.2 动力响应仿真结果与讨论  63-71
    3.3.3 控制力时程分析  71-73
  3.4 AMD、ATS 和 MRFD 控制力的比较  73-77
第4章 MRFD 与轻型 AMD 混合控制系统的设计思路  77-92
  4.1 系统架构形式与鲁棒性差异  77-81
    4.1.1 系统的关键组件  77-78
    4.1.2 集中型、半集中型系统  78-80
    4.1.3 分布型系统及其鲁棒性优势  80-81
  4.2 轻型 AMD 特性的初步分析  81-85
    4.2.1 重型 AMD 装置的技术与经济问题  82-83
    4.2.2 轻型 AMD 的技术特点  83-85
  4.3 MRFD 与轻型 AMD 混合控制系统的设计  85-92
    4.3.1 设计理念的源起  85-86
    4.3.2 混合系统控制算法与策略的设计  86-90
    4.3.3 混合系统待研究的问题  90-92
第5章 基于抗风 Benchmark 的 AMD 与 MRFD 混合控制系统仿真算例  92-110
  5.1 仿真参数的设定  92-93
  5.2 结构动力响应的仿真结果及其讨论  93-101
  5.3 混合系统的工作状况(MRFD 部分)  101-105
  5.4 混合系统的工作状况(AMD 部分)  105-110
    5.4.1 质量块的位移特性分析  105-107
    5.4.2 控制力特性分析  107-110
第6章 结论与展望  110-114
  6.1 结论  110-112
    6.1.1 对预备理论研究的结论  110-111
    6.1.2 对混合控制系统特性的研究结论  111-112
  6.2 展望  112-114
参考文献  114-121
致谢  121-122
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  122

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 高层建筑 > 高层建筑结构 > 各种结构设计 > 抗风设计
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