耦合地震作用下结构振动控制与优化

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 土木工程结构抗震技术的演变与发展

1．3 结构振动控制的研究历史与发展

1．3．1 中外古建筑结构振动控制的成功应用

1．3．2 当代土木工程结构振动控制技术的发展

1．3．3 国内外土木工程结构振动控制技术研究的新形势

1．4 土木工程结构振动控制技术分类

1．4．1 被动控制

1．4．2 主动控制

1．4．3 半主动控制

1．4．4 混合控制

第2章 耦合地震作用下滑移隔震结构振动控制

2．1 引言

2．2 滑移隔震的基本原理与特性

2．2．1 滑移隔震的基本原理

2．2．2 滑移隔震的基本特性

2．3 滑移隔震体系的分类

2．3．1 基于滑动摩擦力的隔震结构

2．3．2 基于滚动摩擦力的基础隔震结构

2．4 软钢U型带片向心机构

2．4．1 U型带片限位阻尼器及其恢复力模型

2．4．2 状态的判定

2．5 滑移隔震结构动力反应分析

2．5．1 竖向地震作用对结构的影响

2．5．2 双向耦合地震作用下滑移隔震结构多质点动力分析模型的建立

2．5．3 滑移隔震结构的滑动与啮合状态判别准则

2．5．4 滑移隔震结构的竖向运动微分方程的建立

2．5．5 滑移隔震结构水平运动微分方程的建立

2．6 滑移隔震结构多质点体系地震反应时程分析

2．6．1 地震波选取和调整

2．6．2 滑移隔震结构多质点体系的弹塑性时程分析

2．6．3 拐点的处理

2．6．4 工程实例分析

第3章 耦合地震作用下LRB隔震结构振动控制

3．1 引言

3．2 LRB隔震原理及隔震系统的组成

3．2．1 LRB隔震的基本原理

3．2．2 LRB隔震结构的组成

3．3 LRB及其设计

3．3．1 LRB恢复力模型

3．3．2 LRB设计

3．4 LRB隔震结构的动力反应分析

3．4．1 双向耦合地震作用下LRB隔震结构多质点动力分析模型建立

3．4．2 LRB隔震结构竖向运动微分方程的建立

3．4．3 LRB隔震结构水平运动微分方程的建立

3．4．4 LRB隔震结构多质点体系地震反应时程分析

3．4．5 工程实例分析

第4章 耦合地震作用下MRD结构振动控制

4．1 引言

4．2 MRF与MRD

4．2．1 MRF的组成

4．2．2 MRF的工作原理

4．2．3 MRF的力学模型

4．2．4 MRF的优点

4．2．5 MRD

4．2．6 MRD的设计

4．3 MRD的恢复力模型

4．3．1 Bingaln黏塑性模型

4．3．2 Bingham黏弹-塑性模型

4．3．3 Bouc-wen模型

4．3．4 现象模型

4．3．5 轴对称模型

4．3．6 平板模型

4．3．7 简化模型

4．4 MRD结构的地震反应分析

4．4．1 双向耦合地震作用下MRD结构多质点动力分析模型的建立

4．4．2 MRD结构竖向运动微分方程的建立

4．4．3 MRD结构水平运动微分方程的建立

4．4．4 采用瞬时最优控制策略的地震反应分析

4．4．5 工程实例分析

第5章 耦合地震作用下MRD与滑移隔震混合控制

5．1 引言

5．2 MRD与滑移隔震混合方式

5．2．1 隔震层安装MRD

5．2．2 上部结构层间安装MRD

5．2．3 隔震层与上部层间都安装MRD

5．3 MRD与滑移隔震混合结构地震反应分析

5．3．1 双向耦舍地震作用下MRD与滑移隔震混合结构多质点动力分析模型建立

5．3．2 MRD与滑移隔震混合结构滑动与啮合状态判别准则

5．3．3 MRD与滑移隔震混合结构竖向运动微分方程的建立

5．3．4 MRD与滑移隔震混合结构水平运动微分方程的建立

5．3．5 工程实例分析

第6章 耦合地震作用下MRD与LRB隔震混合控制

6．1 引言

6．2 耦合地震作用下MRD与LRB隔震混合结构动力分析模型建立

6．3 MRD与LRB隔震混合结构竖向运动微分方程的建立

6．4 MRD与琥B隔震混合结构水平运动微分方程的建立

6．5 工程实例分析

第7章 耦合地震作用下结构优化设计

7．1 结构振动控制优化设计必要性与特点

7．1．1 结构振动控制优化设计必要性

7．1．2 结构振动控制优化设计特点

7．2 离散变量优化设计方法的应用概况与新发展

7．2．1 离散变量优化设计的应用概况

7．2．2 离散变量优化设计方法的新发展

7．3 SGA

7．3．1 SGA的特点

7．3．2 SGA的理论基础

7．3．3 SGA应用步骤

7．3．4 符号串的编码与解码

7．3．5 个体适应度的评价

7．3．6 遗传算子

7．3．7 SGA的运行参数

7．4 SGA的改进

7．4．1 SGA的主要缺点

7．4．2 SGA的改进措施

7．5 离散变量优化设计的直接搜索算法

7．5．1 离散变量优化设计的单向搜索算法

7．5．2 离散变量优化设计的进退搜索算法

7．5．3 离散变量优化设计的斐波那契算法

7．6 直接搜索算法与SGA的混合

7．6．1 算法的混合原则

7．6．2 算法的混合策略

7．6．3 算法的混合原理

7．6．4 初始群体的形成

7．6．5 群体的进化

7．7 滑移隔震结构的参数优化研究

7．7．1 优化模型的建立

7．7．2 工程实例分析

7．8 LRB隔震结构的参数优化研究

7．8．1 优化模型的建立

7．8．2 工程实例分析

7．9 MRD结构布局优化设计

7．9．1 优化模型的建立

7．9．2 工程实例分析

7．10 MRD与滑移隔震混合结构参数的优化研究

7．10．1 优化模型的建立

7．10．2 工程实例分析

7．11 结构参数的优化研究

7．11．1 优化模型的建立

7．11．2 工程实例分析

参考文献2100433B

《耦合地震作用下结构振动控制与优化》系统地总结和阐述了土木工程结构被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制理论、方法、技术、系统和工程应用的主要研究成果，并主要论述了耦合地震作用下结构振动控制的结构计算分析与结构参数与控制装置布局的优化设计。

本书可供从事土木工程、水利工程、材料科学与工程、力学研究、设计与制造等专业的研究生和高年级本科生作学习参考书。

巨型框架结构具有巨大抗侧刚度且整体工作性能强，是现代结构技术发展的重要方向之一，利用结构振动控制技术减轻巨型框架结构在多维地震作用下的响应是一项亟需解决的重要课题。本课题旨在提出考虑多维隔震的巨型框架-子结构新体系，并以该体系的非线性空间简化模型和响应预测及控制为研究对象，研究内容涵盖：建立考虑耦合效应的巨型框架多维隔震结构的有限元数值分析模型，提出考虑耦合效应的巨型框架多维隔震结构非线性空间简化模型，研究体系的空间动力响应特性及各参数影响规律；研究巨型框架多维隔震结构的设计反应谱及地震反应预测理论，研究巨型框架多维隔震结构体系的设计方法；通过缩尺地震模拟振动台试验研究巨型框架多维隔震结构的时域地震反应，验证理论和数值分析的巨型框架结构振动控制策略；进行时域和频域下巨型框架多维隔震结构抗风可靠性相关研究；研究在强震作用下巨型框架多维隔震结构体系动力响应特性、失效模式及混合控制理论、技术。

我国建设的深水桥梁多处于地震多发区，地震作用下深水桥梁墩-水耦合振动的研究很少，相关抗震设计规范不完善，急需在该方面展开深入研究。本项目在前期研究的基础上，基于辐射波浪理论，推导多边形、圆端形、椭圆形桥墩附加动水压力半解析解计算方法，采用ANSYS WORKBENCH ANSYS CFX ANSYS Mechanical对复杂几何形状桥墩附加动水压力进行数值计算。并在此基础上，对现有计算程序进行二次开发，研制专门针对墩-水耦合附加动水压力数值计算的软件，并采用该软件对附加动水压力的影响因素，如自由表面重力波等进行分析。利用分析结果，并参考各国附加动水压力的相关规范，对规则几何形状桥墩附加动水压力半解析计算方法进行简化，提出适用于工程的合理、高效的简便计算方法。该方面的研究将进一步完善墩-水耦合振动理论，并对我国桥梁抗震设计、桥梁抗震规范的制定具有重要的参考价值。

本项目主要研究地震作用下库区深水桥梁动水压力的计算问题。根据项目计划书中的研究要点，对正方形、矩形、圆端形、椭圆形桥墩动水压力半解析半数值表达式进行了研究；对复杂截面形状桥墩动水压力的数值计算方法进行了研究；并且研究了动水压力的影响因素：结构弹性振动、自由表面重力波、水的可压缩性等；另外还对基于辐射波浪理论的圆形桥墩、矩形桥墩动水压力表达式进行了简化研究。上述研究已经得到较好的执行，并取得了相应的研究成果： 1）提出了基于辐射波浪法和流体单元法的一种新的动水压力计算方法：混合法，并利用该方法得到了正方形桥墩和矩形桥墩动水压力半解析半数值表达式。 2）根据一阶频率降低率与附加质量的关系，提出了一种计算动水附加质量的方法：附加质量比法。并用该方法得到了圆端形桥墩、椭圆形桥墩动水压力表达式。另外，该方法也适用于其它复杂截面动水压力表达式的求解。 3）对流体单元法（Solid45单元模拟桥墩，Fluid30单元模拟流体）进行了改进，简化了流体域边界、提出了合理的流体域范围以及网格划分精度，使得流体单元法的建模复杂程度降低，计算效率和适用性提高。利用改进后的流体单元法，对规则、复杂截面形状桥墩动水压力进行了计算，并对混合法、附加质量比法计算结果提供验证，结果表示：研究中提出的两种新方法具有相当高的计算效率和较好的精度。 4）对动水压力影响因素的研究结果表明：地震作用下，弹性振动引起的附加质量与刚体运动引起的附加质量近似相等；一般情况下，自由表面重力波对动水压力的影响很小，可以忽略；水的可压缩性对动水压力会产生影响，但是影响很小，在计算过程中可忽略。 5）基于辐射波浪理论的圆形桥墩外域水、内域水动水压力表达式，以及矩形桥墩外域水动水压力表达式极其复杂，难以在实际工程中应用。研究中对上述表达式进行了简化研究，提出了相应的简化表达式。对比结果表明：简化后的表达式具有较好的精度。 2100433B