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高层钢混框架结构厂房有限元分析及TMD减振研究

作　者: 孙海丽
导　师: 闫安志
学　校: 河南理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 高层钢混框架结构矩形脉冲周期激励动力反应特性 TMD控制
分类号: TU311.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)作为一种动力吸振器,在高层和高耸结构抗震、抗风控制中有广阔的应用前景。这种装置对结构的振动有明显的控制效果。其特点是对建筑功能的影响较小,占用的建筑面积少,便于安装、维修和更换。本文以义马某高层钢混框架结构厂房为工程背景,研究了该框架结构本身固有的动力学特性以及其在矩形周期脉冲激励下的动力反应特性。进一步把厂房的主要设备——气化炉作为TMD系统的惯性质量来设计TMD控制系统。利用子结构和主框架的动力相互作用,研究结构在矩形脉冲周期激励作用下,TMD控制系统对框架结构响应控制的可行性以及控制效果。同时也对结构在地震作用下的动力反应及控制效果进行了分析。本项目的主要设备气化炉重达1440(总重)吨,高度达30m,属大型设备。这种带有大型设备的高层工业厂房是近些年新兴的建筑形式。在设计中,如何对框架结构与设备之间的相互作用进行计算是一大难点。传统的工业设计中,一般将设备进行等效荷载处理,将荷载直接作用在结构的相关部位上。这一等效荷载并不能真实反应结构与设备之间的受力情况。对于本项目,如果也将气化炉作为等效荷载进行处理,将会与真实的受力情况有很大的差异。因此在进行分析时,本论文考虑了气化炉和框架结构相互作用,并在此基础上,对该厂房进行振动控制。主要研究内容如下:(1)利用ANSYS大型有限元分析软件建立气化炉厂房模型,进行模态分析,得出结构的动力特性,并分析了在静力作用下结构的应力和变形。(2)利用ANSYS分别分析在矩形脉冲周期激励及地震作用下的结构响应,从而探讨结构在激励作用下的振动特性,作为控制效果的标准。(3)针对该厂房结构进行被动TMD减振控制优化设计,寻求最优减振效果、最优刚度及阻尼配置,以达到最优控制效果。(4)确定结构受控模态后,建立结构—TMD有限元模型,进行减振钢混框架结构时程分析,对比分析了减振框架结构与原结构的减振控制效率。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-23
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 现代高层建筑体系的发展趋势  12-13
  1.3 框架结构体系的概念、特点及受力性能  13-14
  1.4 土木工程结构减振方法  14-18
    1.4.1 隔震技术  15
    1.4.2 消能减振  15-16
    1.4.3 吸能减振技术  16-18
  1.5 TMD 国内外研究进程及应用现状  18-21
    1.5.1 TMD 振动控制的研究进程  18-20
    1.5.2 TMD 的工程应用  20-21
  1.6 本文的主要研究内容  21-22
  1.7 创新点  22
  1.8 技术路线  22-23
2 气化炉厂房模型建立及动力特性分析  23-41
  2.1 引言  23
  2.2 结构动力反应分析的有限元方法  23-26
    2.2.1 结构振动要解决的问题  23
    2.2.2 振动方程的建立  23-25
    2.2.3 模态分析  25-26
  2.3 气化炉高层钢混框架结构简介及设计方案  26-28
  2.4 ANSYS 有限元模型的建立  28-39
    2.4.1 高层框架结构实用计算模型  28-30
    2.4.2 框架结构有限元模型的选择  30-33
    2.4.3 关于建模其他的说明  33
    2.4.4 结构的动力特性分析  33-39
  2.5 本章小结  39-41
3 气化炉厂房在“复杂激励下”的动力响应分析  41-53
  3.1 前言  41
  3.2 厂房激励的生成和地震波的选取  41-43
    3.2.1 厂房激励的生成  41-42
    3.2.2 地震波的选取  42-43
  3.3 荷载组合的选取  43
  3.4 时程分析方法  43-44
    3.4.1 阻尼的处理  44
  3.5 时程响应分析结果  44-51
    3.5.1 矩形脉冲周期激励作用下结构响应分析  45-48
    3.5.2 地震作用下结构响应分析  48-51
  3.6 结构静力分析  51-52
  3.7 本章小结  52-53
4 气化炉厂房TMD 控制优化分析  53-73
  4.1 前言  53
  4.2 TMD 系统参数优化  53-57
    4.2.1 TMD 减振原理  53-54
    4.2.2 结构—TMD 系统振动微分方程  54-55
    4.2.3 TMD 的参数优化  55-56
    4.2.4 结构分析  56-57
  4.3 气化炉厂房结构TMD 参数的确定  57-60
    4.3.1 频率比的变化对减震效果的影响  58-59
    4.3.2 子结构阻尼比的变化对减震效果的影响  59-60
  4.4 气化炉为TMD 的有限元模拟  60-62
    4.4.1 TMD 弹簧阻尼的模拟  60
    4.4.2 TMD 惯性质量的模拟  60-62
  4.5 TMD 系统控制效果分析  62-72
    4.5.1 结构—TMD 系统模态分析  62-63
    4.5.2 TMD 系统减振结构分析  63-72
  4.6 本章小结  72-73
5 结论与展望  73-75
  5.1 结论  73
  5.2 展望  73-75
参考文献  75-79
作者简历  79-80
  一、基本情况  79
  二、学术论文  79
  三、研究项目  79-80
学位论文数据集  80

高层钢混框架结构厂房有限元分析及TMD减振研究

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