曹黎媛, 李春祥

(上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072)

基于可控沖程主被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的性能

曹黎媛, 李春祥

(上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072)

提出了基于可控沖程的主被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(簡(jiǎn)稱為CS-APTMD)。CS-APTMD是在主被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(APTMD)的基礎(chǔ)上，在主體結(jié)構(gòu)與小質(zhì)量塊之間設(shè)置一個(gè)附加粘滯阻尼裝置而構(gòu)成;經(jīng)定義CS-APTMD的最優(yōu)參數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，在頻域內(nèi)，數(shù)值研究了在控制結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)時(shí)質(zhì)量比對(duì)CS-APTMD最優(yōu)參數(shù)和有效性以及沖程的影響；并與APTMD的結(jié)果進(jìn)行了比較。數(shù)值分析表明，CS-APTMD的控制性能顯著地優(yōu)于APTMD。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制；可控沖程；主被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器；優(yōu)化；性能

主被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器[1-2](active-passive tuned mass damper，APTMD)是一種有效的混合控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)充分利用了被動(dòng)控制與主動(dòng)控制各自的優(yōu)點(diǎn)，既可以通過(guò)被動(dòng)控制系統(tǒng)大量耗散振動(dòng)能量，又可以利用主動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)保證控制效果或水平。NISHIMURA等[3]對(duì)APTMD的研究發(fā)現(xiàn)：APTMD中ATMD的尺寸明顯小于一般的ATMD；為達(dá)到某一振動(dòng)抑制水平，APTMD較ATMD需要更小的控制力；而且APTMD中的TMD又能夠切斷APTMD中ATMD的高頻振動(dòng)，阻止其到達(dá)結(jié)構(gòu)。此后，眾多學(xué)者對(duì)APTMD展開了深入研究[4-8]。李春祥[9]進(jìn)一步提出了一種新控制策略—多重主被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(MAPTMD)。本文在APTMD的研究基礎(chǔ)上，提出基于可控沖程的主被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(CS-APTMD)裝置，以期進(jìn)一步提高APTMD的控制性能。

1 CS-APTMD的最優(yōu)性能準(zhǔn)則

結(jié)構(gòu)-CS-APTMD系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖1所示。結(jié)構(gòu)-CS-APTMD系統(tǒng)的動(dòng)力方程可表示為：

(1)

(2)

(3)

設(shè)CS-APTMD的主動(dòng)控制力生成模式為：

(4)

圖1 基于可控沖程的主被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器

引入變量：

ξs為主結(jié)構(gòu)阻尼比；ξT為TMD阻尼比；ξt為ATMD阻尼比；ξL為附加黏滯阻尼比；μT為TMD與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比；μt為ATMD與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比；η為ATMD與TMD的質(zhì)量比；αt標(biāo)準(zhǔn)化加速度反饋增益系數(shù)。

(5)

(6)

(7)

式中：

定義設(shè)置CS-APTMD結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、TMD沖程和ATMD沖程的動(dòng)力放大系數(shù)：

(8)

(9)

(10)

ReT(λ)=MRe(λ)-NIm(λ)

ImT(λ)=NRe(λ)+MIm(λ)

Ret(λ)=MRe(λ)-NIm(λ)

Imt(λ)=NRe(λ)+MIm(λ)

E12=-2[(1+η)ξt+ξL]ftλ

F12={[-2(ξt+ξL)ftλ](1-ηαt)-2ηξtftλ(1+αt)}λ2

E22=-2(ξLft-ξTfT)λ

F22=[-2ξLftλ(1-ηαt)+2ξTfTλ(1+αt)]λ2

為了對(duì)參數(shù)fT、ft、ξT、ξt和ξL進(jìn)行優(yōu)化，定義CS-APTMD的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)即最優(yōu)參數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則為：

RHs=min.max.(DMFHs)

(11)

上述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)(11)表示：使用GA算法，針對(duì)求得的位移動(dòng)力放大系數(shù)DMFHs[式(8)]最大值，在參數(shù)fT、ft、ξT、ξt和ξL的變化范圍內(nèi)，尋找最大DMFHs的最小值，從而獲得CS-APTMD的最優(yōu)參數(shù)。

2 CS-APTMD的最優(yōu)性能研究

根據(jù)CS-APTMD的最優(yōu)參數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，使用遺傳算法(GA)對(duì)CS-APTMD的性能進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，并與APTMD的結(jié)果進(jìn)行比較。參數(shù)設(shè)置范圍：fT=0.8～1.0，ft=0.0～1.0，ξT=0～0.999，ξt=0～0.999，ξL=0～0.999，ΔfT=0.001，Δft=0.001，ΔξT=0.001，Δξt=0.001，ΔξL=0.001，λ=0～2。GA優(yōu)化得到μT=0.01和η分別取0.25、0.5、0.75、1.0時(shí)，DMFHs、fT、ft、ξT、ξt、ξL、DMFHT、DMFHt隨αt的變化曲線(圖2～圖8)。

圖2 APTMD和CS-APTMD的DMFHs隨αt變化趨勢(shì)

圖3 APTMD和CS-APTMD的fT隨αt變化趨勢(shì)

圖4 APTMD和CS-APTMD的ft隨αt變化趨勢(shì)

由圖2知，對(duì)于結(jié)構(gòu)-CS-APTMD系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)的位移動(dòng)力放大系數(shù)DMFHs隨著η和驅(qū)動(dòng)力αt的增大而減小，即意味著有效性越來(lái)越好。但當(dāng)η>0.5且αt>12時(shí)，總體上，增大η和αt，CS-APTMD的控制有效性提高不明顯。而且，重要地發(fā)現(xiàn)，CS-APTMD的有效性和APTMD的有效性幾乎相同。由圖3和圖4知，隨著驅(qū)動(dòng)力αt和質(zhì)量比η的增大，CS-APTMD的頻率比f(wàn)T和ft變化趨勢(shì)與APTMD的頻率比f(wàn)T和ft變化趨勢(shì)總體上相似。對(duì)于阻尼比ξT，經(jīng)大量的數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)值ξT=0。因此，大質(zhì)量塊即TMD不需要安裝阻尼裝置。

圖5 APTMD和CS-APTMD的ξt隨αt變化趨勢(shì)

由圖5知，總體上，CS-APTMD的阻尼比ξt明顯小于APTMD的阻尼比ξt。由圖6知，CS-APTMD的阻尼比ξL隨著αt的增大而增大。由圖7知，當(dāng)αt=4時(shí)，相對(duì)于APTMD，CS-APTMD的大質(zhì)量塊沖程DMFHT減小了50%～66%；當(dāng)αt=8時(shí)，相對(duì)于APTMD，CS-APTMD的大質(zhì)量塊沖程DMFHT減小了22%～43%。因此，CS-APTMD的大質(zhì)量塊沖程明顯減小，可以選擇的增益范圍擴(kuò)大了。由圖8知，當(dāng)αt=4時(shí)，相對(duì)于APTMD，CS-APTMD的小質(zhì)量塊沖程DMFHt減小了60%～83%；當(dāng)αt=8時(shí)，相對(duì)于APTMD，CS-APTMD的小質(zhì)量塊沖程DMFHt減小了57%～80%。因此，在沖程方面，CS-APTMD具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

圖6 CS-APTMD的ξL隨αt變化趨勢(shì)

圖7 APTMD和CS-APTMD的DMFHT隨αt變化趨勢(shì)

圖8 APTMD和CS-APTMD的DMFHt隨αt變化趨勢(shì)

綜合考慮CS-APTMD的控制有效性、沖程以及其參數(shù)的經(jīng)濟(jì)合理性三個(gè)因素，本文建議選擇表1中A、B、C和D的四組數(shù)據(jù)。根據(jù)這四組參數(shù)設(shè)計(jì)的CS-APTMD，其控制性能顯著地優(yōu)于APTMD。

表1 μT=0.01時(shí)CS-APTMD的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 結(jié) 論

本文提出了基于可控沖程的主被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(CS-APTMD)裝置。通過(guò)理論推導(dǎo)及定義的CS-APTMD最優(yōu)參數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，使用遺傳算法(GA)優(yōu)化，在頻域內(nèi)數(shù)值研究了CS-APTMD的最優(yōu)控制性能，并與APTMD進(jìn)行了比較。數(shù)值分析表明，CS-APTMD的控制性能明顯優(yōu)于APTMD。具體地，在沖程方面，CS-APTMD具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)；大質(zhì)量塊即TMD不需要安裝阻尼裝置。同時(shí)，論文提供了CS-APTMD的參數(shù)設(shè)計(jì)表，為工程應(yīng)用時(shí)參考。

值得指出，本文使用單自由度體結(jié)構(gòu)模型，研究了CS-APTMD的最優(yōu)控制性能；對(duì)于多自由度結(jié)構(gòu)，可以采用振型分解法，并使用本文的研究結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)CS-APTMD。

[ 1 ] NISHIMURA I, SAKAMOTO M, YAMADA T, et al. Acceleration feedback method applied to active-passive composite tuned mass damper[J]. Journal of Structural Control, 1994, 1(1/2):103-116.

[ 2 ] FUKUSHIMA I, SASAKI K, NISHIMURA I, et al. Development and application of active-passive composite tuned mass damper to high-rise building[C]// Proceedings of Pacific Conference on Earthquake Engineering, Australia, 1995:267-276.

[ 3 ] NISHITANI A, INOUE Y. Overview of the application of active/semi-active control to building structures in Japan[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2001,30(11): 1565-1574.

[ 4 ] NISHIMURA I, KOBORI T, SAKAMOTO M, et al. Active passive composite tuned mass damper[C]// Proceedings of the Seminar on Seismic Isolation, Passive Energy Dissipation and Active Control, San Francisco, 1993: 737-748.

[ 5 ] NISIHIMURA I, YAMADA T, SAKAMOTO M, et al. Control performance of active-passive composite tuned mass damper[J]. Smart Materials & Structures, 1998, 7: 637-653.

[ 6 ] YAN N, WANG C M, BALENDRA T. Composite mass dampers for vibration control of wind-excited towers[J]. Journal of Sound and Vibration, 1998, 213(2): 301-316.

[ 7 ] WANG C M, YAN N, BALENDRA T. Control on dynamic structural response using active-passive composite-tuned mass dampers [J]. Journal of Vibration and Control, 1999, 5: 475-489.

[ 8 ] SHI Weixing, SHAN Jiazeng, LU Xilin. Modal identification of Shanghai world financial center both from free and ambient vibration response[J]. Engineering Structures,2012,36:14-26.

[ 9 ] LI Chunxiang. Multiple active-passive tuned mass dampers for structures under the ground acceleration[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2003, 32(6): 949-964.

Performances of active-passive tuned mass dampers based on controlled stroke

CAO Liyuan, LI Chunxiang

(Department of Civil Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072, China)

The controlled stroke-based active-passive tuned mass dampers (CS-APTMD) were proposed here. More specifically, an added viscous damping device was placed between the main structure and the smaller mass block of a APTMD to form a CS-APTMD. In order to study the optimal performance of a CS-APTMD, an optimization criterion was defined. Employing this defined criterion, the influences of mass ratio on optimal parameters and effectiveness, and stroke of a CS-APTMD were numerically studied in frequency domain when the displacement responses of the structure with the CS-APTMD were controlled. Furthermore, for the purpose of comparison, the optimal performances of the corresponding APTMD was also investigated. The numerical results showed that the controlling performances of a CS-APTMD are superior to those of the corresponding APTMD.

structural vibration control; controlled stroke; active-passive tuned mass dampers; optimization; performance

2015-06-23 修改稿收到日期：2015-11-08

曹黎媛 女，碩士生，1991年生

李春祥 男，教授，博士生導(dǎo)師，1964年生

TU311