工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制一三章課件

工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部第一章振動(dòng)控制概述1.1振動(dòng)控制的分類振動(dòng)問題動(dòng)力響應(yīng)（response）：有外擾作用下的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題：激勵(lì);結(jié)構(gòu);響應(yīng)?？刂茊栴}：輸入；系統(tǒng)；輸出。振動(dòng)控制對(duì)有害的振動(dòng)進(jìn)行抑制。振動(dòng)控制是指，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)加以控制，使系統(tǒng)的振動(dòng)水平處在可以接受的范圍。按要否能源區(qū)分,振動(dòng)控制可分為無源控制與有源控制，前者又稱被動(dòng)(Passive)控制，后者又稱主動(dòng)(Active)控制。

消振:振源是系統(tǒng)產(chǎn)生過度振動(dòng)的根源，如果能減小振源產(chǎn)生的激勵(lì)能量(例如，減小安裝在結(jié)構(gòu)上的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的偏心度)，則系統(tǒng)的過度振動(dòng)就不會(huì)出現(xiàn)。這種減小振源激勵(lì)能量的技術(shù)措施，稱之為消振?？刂品椒ǎ焊粽?改變振源對(duì)需減振系統(tǒng)激勵(lì)能量的頻譜結(jié)構(gòu)，減小能夠傳遞到系統(tǒng)的所謂通過頻率的激勵(lì)能量，從而使系統(tǒng)的振動(dòng)受到抑制，這種措施稱為隔振。它要在振源與需減振的系統(tǒng)之間安裝附加子系統(tǒng)，將振源與系統(tǒng)分隔開來，從而達(dá)到減振目的。

吸振：在需要減振的結(jié)構(gòu)上附加輔助子系統(tǒng)，使振源的激勵(lì)能量分配到結(jié)構(gòu)與輔助子系統(tǒng)上，并使分配到結(jié)構(gòu)上的能量最小，這樣就可達(dá)到結(jié)構(gòu)減振的目的。這種方法稱為吸振，相應(yīng)的輔助子系統(tǒng)稱為動(dòng)力吸振器。吸振器給系統(tǒng)提供抵消激振力的所謂吸振力，從而減小了系統(tǒng)本身的動(dòng)響應(yīng)。TunedMassDamperRubberBearings(Base-Isolationsystem)ViscousDamperHystereticSteel,FrictionDamper1.2振動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

被動(dòng)控制裝置SchematicDiagramofActiveEnergyDissipationSystemStructureActivecontrolsystemResponseExcitationFeedbackloopSensorsSensorsFeedforwardloopPowerController主動(dòng)控制裝置ActuatorU(t)ActiveMassDriverActiveTendonSystemRubberBearings(Base-IsolationSystem)Actuators分層橡膠支座是由薄橡膠片與鋼板相互交錯(cuò)疊置數(shù)層，上下有翼緣，支座平面形狀多為圓形或矩形。分層橡膠支座中心通常為空心孔。通過設(shè)計(jì)分層橡膠支座的豎向剛度和水平剛度可改變結(jié)構(gòu)的自振頻率，達(dá)到隔震效果。另外，橡膠支座在變形過程中消耗能量，提供了阻尼，這種阻尼主要取決于橡膠層變形的速度。以天然橡膠為主要材料制作的支座，典型的阻尼系數(shù)范圍為臨界阻尼比的5％～10％。（2）鉛芯橡膠支座抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)的區(qū)別抗震結(jié)構(gòu)：利用結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的承載力和變形能力抵御地震作用，吸收地震能量。立足于“抗”。隔震結(jié)構(gòu)：在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置滑移層，阻止地震能量向上傳遞。

立足于“隔”。為達(dá)到明顯減震效果，通常基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)需具備以下四種特性：(1)承載特性：具有足夠的豎向強(qiáng)度和剛度以支撐上部結(jié)構(gòu)的重量；(2)隔震特性：具有足夠的水平初始剛度，在風(fēng)載和小震作用下，體系能保持在彈性范圍內(nèi)，滿足正常使用的要求，而中強(qiáng)地震時(shí)，其水平剛度較小，結(jié)構(gòu)為柔性隔震結(jié)構(gòu)體系；(3)復(fù)位特性：地震后，上部結(jié)構(gòu)能回復(fù)到初始狀態(tài)，滿足正常的使用要求。(4)耗能特性：隔震系統(tǒng)本身具有較大的阻尼，地震時(shí)能耗散足夠的能量，從而降低上部結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量。隔震系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)隔震的概念早在19世紀(jì)已有人提過，廣義的隔震方案則更是源淵流長，如北京故宮就設(shè)有糯米加石灰的柔性減震支座層；現(xiàn)代的基礎(chǔ)隔震理論和實(shí)踐開始于上世紀(jì)70年代，基礎(chǔ)隔震方案很多，下面作簡單介紹1.早期隔震技術(shù)河合浩藏（Kawai）的“地震時(shí)不受大震動(dòng)的結(jié)構(gòu)”右圖是1891年河合浩藏的“地震時(shí)不受大震動(dòng)的結(jié)構(gòu)”。其隔震思路是在地基上并排鋪設(shè)了數(shù)層圓木，并且把建筑物周圍挖空，從而地震時(shí)可對(duì)上部建筑起到隔震柔性層隔震結(jié)構(gòu)(Flexiblefirst-storybuilding)

柔性層結(jié)構(gòu)隔震概念由Martel在1929年提出，由Green(1935年)和Jacobasen(1938年)進(jìn)一步加以研究與完善；下圖是真島健三郎于1934年的柔性層結(jié)構(gòu)。地震時(shí)，柔性層進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)的剛度變小，結(jié)構(gòu)的基本周期延長，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)所受的地震作用減小。

滾動(dòng)支撐類隔震系統(tǒng)（Rollerbearingsystem）為克服柔性層結(jié)構(gòu)所帶來的缺陷，科學(xué)家們相繼提出了多種滾動(dòng)支撐類隔震系統(tǒng)，工作元件有球形和橢圓形等多種，但由于其隔震是有向性的，而地震是具有無向性，這些類型的隔震系統(tǒng)均未能推廣應(yīng)用。

最新隔震技術(shù)隔震橡膠支座(Thelaminatedrubberbearing)隔震系統(tǒng)。中南加州大學(xué)醫(yī)院地下一層，地上7層，建筑面積：33000平方米；占地：4100平米；最高高度：36。0m；鉛芯多層橡膠隔震器68個(gè)，多層橡膠隔震器81個(gè)。中南加州大學(xué)醫(yī)院在這次地震及其其后的余震中，6-8英尺高的花瓶等沒有一個(gè)掉下來，建筑物內(nèi)的各種機(jī)器等均未損壞，醫(yī)院功能得到維持，成為防災(zāi)中心，起到十分重要的作用。下圖分別是世界上第一棟采用鉛芯橡膠支座隔震的建筑(TheWilliamClaytonBuilding,NewZealand)和世界上使用鉛芯橡膠支座中基底面積最大的建筑(日本)。

日本1997年度評(píng)定的隔震建筑中，采用鉛芯橡膠支座隔震房屋占總數(shù)的40%，美國在1985年以后興建的隔震房屋中，完全或部分采用鉛芯橡膠支座的隔震房屋占總數(shù)的60.7%，我國在已建成的隔震房屋中，完全或部分采用鉛芯橡膠支座的隔震房屋占總數(shù)的60%。2.2動(dòng)力吸振器（1）調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）（2）主動(dòng)質(zhì)量阻尼器（AMD）（3）調(diào)頻液體阻尼器（TLD）KyobashiSeiwaBuilding(1989)AMD-1AMD-2ControlComputerSensorSensorSensorNanjingTVTower(2000)臺(tái)北－101大樓被稱為“臺(tái)北新地標(biāo)”的101大樓于1998年1月動(dòng)工，主體工程于2003年10月完工。有世界最大且最重的“風(fēng)阻尼器”，還有兩臺(tái)世界最高速的電梯，從一樓到89樓，只要39秒的時(shí)間。在世界高樓協(xié)會(huì)頒發(fā)的證書里，臺(tái)北101大樓拿下了“世界高樓”四項(xiàng)指標(biāo)中的三項(xiàng)世界之最，即“最高建筑物”(508米)、“最高使用樓層”(438米)和“最高屋頂高度”(448米)。「抗風(fēng)制震」的超大重球－風(fēng)阻尼器九十二樓到八十七樓懸掛著世界最大、最重的風(fēng)阻尼器（800頓），它利用擺動(dòng)來減緩建筑物的晃動(dòng)幅度。其設(shè)計(jì)概念在于自動(dòng)的吸收球體質(zhì)量塊擺動(dòng)時(shí)之沖擊能量，并藉由地震時(shí)大樓的擺動(dòng)來抵消所吸收的能量。地震時(shí)，藉由球體本身調(diào)整移動(dòng)的方向和振幅，不但減低了101大樓的搖晃程度，即使遇到颱風(fēng)，也能減低大樓受風(fēng)力吹襲時(shí)之?dāng)[動(dòng)，以確保大樓人員工作時(shí)的舒適度。HybridMassDriverYokohamaLandmarkTower(1993)（1）粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器是由兩塊T型鋼板與一塊中心板夾兩層粘彈性物質(zhì)組成。將阻尼器的兩塊T型鋼板和中間所夾的中心板分別安裝于鋼結(jié)構(gòu)的柱上和格架下弦處，當(dāng)由于外力作用(振動(dòng))引起柱與桁架下弦之間產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)，可令兩塊粘彈性物質(zhì)剪切變形，并耗散能量，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。2.3阻尼器（2）粘滯阻尼器Full-Scale20tonsMRDamperVariableStiffnessDamperVariableStiffnessDamper第三章被動(dòng)控制3.1被動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算步驟：

1.確定要使用的控制裝置數(shù)量和位置

2.通過某種控制策略或參數(shù)分析確定控制裝置的參數(shù)問題的提出調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TunedMassDamper，TMD）建立運(yùn)動(dòng)方程假定作用在主質(zhì)量上的激振力為簡諧荷載則穩(wěn)態(tài)響應(yīng)可分別寫為克萊姆法則（Cramer’sRule）是安裝了TMD后主質(zhì)量響應(yīng)的幅值，可表達(dá)為、分別為TMD的自振圓頻率和阻尼比、分別為主質(zhì)量振動(dòng)體系的自振圓頻率和阻尼比加裝TMD后主質(zhì)量動(dòng)力放大系數(shù)為用SIMULINK求解代數(shù)方程a1=2;a2=?3;a3=?1;a4=1;a5=5;a6=4;a7=?6;a8=1;a9=2;k1=?8;k2=?7;k3=5;z1=2z2