建筑结构负刚度减振控制研究项目摘要

结构中的负刚度可以增大结构的阻尼比，降低结构的自振周期，减小结构的地震反应。本项目针对已有的被动负刚度装置，拟采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，研究结构中的被动负刚度装置在地震动力作用下对结构的减振机理及减振控制策略。提出考虑带有刚度非线性负刚度装置的结构简化计算方法，研究被动负刚度装置在结构动力反应计算中的减振机理并建立优化目标函数；提出被动负刚度装置在结构中的优化布置方法，研究安装于上部结构各层中的被动负刚度装置负刚度值的优化设计问题；根据负刚度优化设计值，对被动负刚度装置的可调参数部件进行调节，或对负刚度装置进行改进，并通过试验结果和数值模拟的对比来进行验证，从而提出了减振控制策略。本项目对被动负刚度装置实际应用的研究，对结构抗震减振具有重要的意义。

1）结合被动负刚度装置的非线性力学模型，针对这种带有被动负刚度装置的结构非线性动力模型，提出双线性模型的简化计算方法；将负刚度应用于上部结构中，提出同伦方法优化计算上部结构各层所需的负刚度值，解决了该双线性非凸优化问题；提出了多自由度双线性结构等效单自由度体现方法，创新给出了双线性结构反应谱，实现了在结构设计中考虑负刚度因素的方法。2）提出了一种新型轨道式负刚度装置，并通过振动台试验对其力学性能进行了研究。通过循环加载得到不同弹簧预压缩量下负刚度装置的滞回曲线；通过扫频试验测试了负刚度装置的频响性能。提出了负刚度装置的设计方法，建立了轨道式负刚度装置的理论模型，并对其滞回性能进行了数值模拟，试验结果与模拟结果吻合较好。3）提出了一种新型多维SMA阻尼器，并在万能试验机上对其力学性能进行了测试。20℃室温环境中，在不同加载频率和不同幅值的正弦激励下，分别测试了SMA丝不同初始应变时阻尼器的滞回性能。对阻尼器扭转性能也进行了测试。建立了多维SMA阻尼器的理论模型，并对其在周期荷载下的力学性能进行了数值模拟，不同幅值下的模拟结果均与试验结果吻合较好，验证了理论模型的有效性。将轨道式负刚度装置和多维SMA阻尼器配合使用，构成负刚度减震系统，提出了负刚度减震系统的优化设计方法。 2100433B

颗粒调谐质量阻尼系统是对颗粒阻尼和调谐质量阻尼有机结合的新型阻尼系统，既能有效拓宽调谐质量阻尼的减振频带、提高减振效率和耐久性，又为颗粒阻尼的结构工程应用提供了实现途径。本课题将探索该新型阻尼系统的减振机理及应用于建筑结构振动控制的效果。通过振动台和风洞模型试验，以及相应的数值理论分析，总结减振规律，揭示工作机理和物理本质，着重考察对于地震和风振的振动控制效果；建立建筑结构附加该阻尼系统的精细离散元模型和等效简化算法，进行参数敏感性分析及优化分析；提出合理的设计方法，明确相应的核心技术、设计流程、构造、制作、安装和测试要求，并用于指导工程实践。深入开展该组合减振技术的理论和试验研究，有助于透彻理解该类非线性系统的减振机理，对于提出一种新的建筑结构被动控制技术的解决方案具有重要的理论和工程意义。

颗粒调谐质量阻尼系统是对颗粒阻尼和调谐质量阻尼有机结合的新型阻尼系统，既能有效拓宽调谐质量阻尼的减振频带、提高减振效率和耐久性，又为颗粒阻尼的结构工程应用提供了实现途径。本课题通过振动台试验、风洞模型试验、数值分析以及参数优化对颗粒调谐质量阻尼系统的减振机理及应用于建筑结构振动控制的效果进行了研究，揭示了其工作机理和物理本质。五层钢框架的对比试验表明在不同地震作用下，颗粒调谐质量阻尼系统均能达到较好的减震效果，其中在上海人工波作用下的减震效果最好（均方根位移与加速度响应减震率分别达到72.17%与70.99%）；另外，合理的参数选取更有利于发挥颗粒调谐质量阻尼系统的性能，开展了附加颗粒调谐质量阻尼系统的气弹风洞试验（缩尺比为1：200），试验研究表明颗粒调谐质量阻尼系统对高层建筑风致振动响应有良好的减振控制效果，控制合理的颗粒密度、增加颗粒数量、加剧颗粒之间的碰撞等均可以提高其减振效果；基于多颗粒等效原则建立颗粒调谐质量阻尼器的数值模型，数值模拟结果与试验结果整体吻合较好，峰值加速度吻合较好，而均方根加速度也可以将误差控制在可接受的范围内；通过微分演化算法对颗粒调谐质量阻尼系统进行了全局优化，相比于传统设计，优化设计的减振率提高了约50%；最后，提出合理的实用设计方法，明确相应的核心技术、设计流程、构造、制作、安装和测试要求，并用于指导工程实践。本课题展示了颗粒调谐质量阻尼系统在土木工程应用的巨大前景，为土木结构振动控制的发展提供了另一种有效的途径，具有重要的理论意义和工程应用价值。