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多重滚动式非线性能量阱减震性能振动台试验探讨

日期:2025年01月06日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:8
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202501010059579816 论文字数:38566 所属栏目:土建论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土建论文,本文所设计的MRNES装置并联的三个质量块中,D40质量块在整个系统中属于最高阶模态,传递和消耗能量的速率最高,D60质量块其次,D100质量块耗能效率最低。

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

地震作为众多自然灾害中的一种,由于其具有突然性和严重破坏性的特点,给人类带来巨大的灾难。据统计,全球平均每年经历十余次能造成严重灾害的大地震。中国位于欧亚地震带与环太平洋地震带之间,受太平洋板块、印度洋板块和菲律宾海板块的挤压,地震断裂带十分活跃。使得我国不仅是地震多发国家之一,同时也是地震灾害最严重的国家之一,历史上经历了一系列强震,如唐山大地震,共造成我国24.2万多人死亡,16.4万多人重伤;其中包括7200多个家庭全家人都在地震中死亡,4000多名孩子成为孤儿;地面建筑以及生产设施被大规模摧毁;交通、供水、供电、通讯全部中断;直接经济损失高达100多亿元人民币;一座拥有百万人口的工业城市被夷为平地。以及2008年的汶川大地震,影响范围涉及我国10个省市417个县,造成了约七万人遇难、18000失踪、约40万人受伤,房屋大量倒塌如图1-1。除此之外近年来的台湾花莲地震、青海玉树地震、四川雅安、四川九寨沟地震等皆给中国带来了巨大的人员伤亡与损失。

近期我国也发生了不少大型地震,而这些地震造成的人员伤亡以及财产损失的多少,房屋的抗震性能起了决定性作用,如2023年12.18日甘肃积石山6.2级地震,地震造成一共148人遇难,直接经济损失5.32亿元。根据专家调查,地震造成重大人员伤亡的一重大原因为房屋抗震性能差,如图1-2。

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2024年1月23日,新疆乌什县7.1级地震,造成3人遇难,5人受伤,相对而言本次地震造成的损失并不大,之所以此次地震对人民生命财产的伤害如此之低,主要是国家之前帮助指导农民兴建抗震房,提高了房屋抗震设防能力。相反,造成以上的人员伤亡,大多数因房屋坍塌引起,这些房屋多是土坯房,几根木头就撑起了房子的框架,根本达不到抗震要求。自2004年开始,新疆在全国率先启动了抗震安居工程,已完成约238万户建设或改造。房屋建筑抗震能力有了普遍提升,这些抗震房树起了保护生命财产的第一道屏障。所以,才创造了这次抗震的优秀成果。

1.2 振动控制技术

近几十年来,通过国内外学者的不断努力,振动控制技术发展迅速,但随着经济与社会高速的发展,超高层建筑不断增加,建筑结构的抗震需求也越来越高,振动控制技术仍有很大的发展前景与需求。在土木工程行业,现代结构振动控制一般是通过改变结构的动力特性从而达到振动控制,例如在结构某部位设置某种装置隔震,设置某种结构吸收能量减震,设置某种子结构耗散能量减震或者输入外部能量抵消振动响应。按照有无外部能源提供,目前振动控制技术主要分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。

被动控制是指建筑结构通过附加隔振装置、耗能以及吸能减震装置或者改变结构本身构件的阻尼等动力特性从而耗散能量达到减轻振动的控制技术,其不需要提供外部能量,具有价格低廉、构造简单、激励明确等优点,是目前研究最为成熟、运用最广泛的振动控制技术。被动控制主要包括基础隔震、耗能减震和调谐减震。

基础隔震是指在建筑结构基底设置可减少震动能量向上层建筑结构传递的隔震装置,隔震装置要求具备变形能力强,阻尼大,耗能能力大等特点。隔震技术具备减震效果优异,构造简单,价格低廉等特点,是目前发展最为成熟,理论与试验研究最丰富,实际工程运用最广泛的结构被动控制方法。目前,常见的隔震装置有夹层橡胶垫隔震、粉粒垫层隔震、滞变阻尼器隔震、基底滑移隔震装置、摩擦隔震装置等。

第2章 RNES理论分析

2.2 MRNES数值研究

2.2.1恢复力表达式推导

新型轨道型NES受力分析图如图2-1。其中mN为轨道型NES质量,uN为轨道型NES的水平相对位移,vN为轨道型NES纵向相对位移,h(uN)是轨道的形状函数,θ为水平向与切线的夹角,z为轨道水平位移,FNromal为轨道型NES在轨道上产生的法向反力,FN为FNormal的水平分量,即轨道NES的恢复力,Fv为FN的竖向分量,g为重力加速度。求解分析中假设质量块紧贴着轨道运动,即恢复力是连续的。

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2.3 RNES装置参数设计

轨道型NES减震机理和调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)类似,当TMD 频率调至与主体结构频率相近时,TMD 可通过质量块的反相振动消耗能量。TMD高效减震的关键在于TMD调谐,即让TMD的自振频率与主体结构基频相同或相近。但与TMD不同的是,非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)产生的非线性回复力,使其在结构动力特性发生变化时依然保持较好的减震效果。NES一方面作为阻尼器吸收和耗散能量,另一方面使能量在主体结构各模态间传递,将能量从低阶模态传递至耗能更快的高阶模态

2.3.1 RNES固有频率计算

本文所设计的RNES为圆弧轨道,求解固有频率的方法有多种[44][45]。本文用两种方法求解RNES的固有频率分别为“微分方程法”与“拉格朗日方程法”。现用微分方程法求轨道型NES的固有频率,轨道型NES受力分析图如图2-4。其中:R为轨道半径、r为钢棒半径、m为钢棒质量,g为重力加速度、o为圆弧圆心、c为钢棒中心,F为惯性力。

第3章 MRNES减震性能振动台试验分析 ....................... 24

3.1 引言 .................................. 24

3.2 试验模型设计 ................................ 24

第4章 软件模拟试验分析 ............................... 55

4.1 引言 ................................. 55

4.2 MRNES适用性软件模拟分析 ......................... 55

第5章 结论与展望 ........................... 61

5.1 结论 .............................. 61

5.2 展望 ................................ 62

第4章 软件模拟试验分析

4.2 MRNES适用性软件模拟分析

4.2.1 模拟方法

本小节为MRNES适用性软件模拟分析,模拟方案与本文3.3小节MRNES适用性振动台试验分析相同,通过软件模拟与振动台试验相结合的方式共同验证结论的准确性。MRNES适用性仿真模拟使用PGA为0.3的El Centro地震波,质量与轨道的摩擦系数为0.05。工况分别为不附加减震装置原结构、附加D40减震结构、附加D60减震结构以及附加M1减震结构。

此MRNES装置减震性能研究可根据本文第二章节所推导的恢复力表达式以及系统运动方程,使用MATLAB软件编程进行数值模拟,数值模拟方法已在前文有提到。本文将尝试新的模拟方法,采用大型有限元软件ABAQUS动力分析进行模拟。模拟大致步骤如下:

(1)首先,按所设计的结构模型一比一创建各部件,按照Q235钢的各个参数设定部件属性为,赋予部件属性,随后将部件装配成试验主体结构模型如图4-1所示。

(2)将所用部件划分网格。划分网格时,尽量将所用部件网格划分成规则并且对称的矩形,此外,网格的密度也需要按需调整,网格过密,计算机运算困难;网格过疏,计算结构误差过大。

(3)创建动力分析步,使用静力分析步分析结构重力,使用动力分析步分析结构在地震波激励下的响应,时间长度与增量步大小与地震波输入数据相同,并创建加速度历程输出。

(4)创建相互作用,将MRNES轨道与配重板绑定、配重板与框架顶部所接触的梁绑定,此步骤也可在装配中直接将轨道、配重板与主体结构合并成一个整体。质量块与轨道摩擦接触,摩擦系数为0.05。

第5章 结论与展望

5.1 结论

非线性能量阱作为一种新型的的耗能减振装置,具有质量轻,构造简单,价格经济,鲁棒性强以及减振频带宽等多种优点,广泛应用于土木工程、航空航天工程、机械工程等各个领域。

但实际工程应用中非线性能量阱会出现的两个突出问题:(1)非线性能量阱受空间限制的问题,安装位置不够灵活,且需要占用较多的建筑空间,往往会导致建筑功能和减振控制设计之间出现冲突。(2)已有学者设计并优化的轨道NES形状为多项式,制作复杂,需要使用到精密仪器定制,不利于实际工程生产。

本文针对以上两个问题,提出了一款构造简单,以圆弧为轨道、圆柱形钢棒为质量块的新型滚动式非线性能量阱。并将多个滚动式非线性能量阱(RNES)组合成一个多重滚动式非线性能量阱(MRNES),探究在实际工程中,用多个小型非线性能量阱联合使用来替代一个抗震要求所需要的大型非线性能量阱,从而解决大型非线性能量阱安装难度大和受空间影响大的问题。

通过对MRNES减震结构进行振动台试验以及模拟仿真试验,探究了MRNES减震装置的合理性以及不同工况下MRNES减震装置震动控制效果的差异。本文主要研究成果和结论如下:

(1)地震波激励下,附加M1的减震结构顶层加速度均方根震动控制效果高达81.376%,单独附加D40、D60两种工况下顶层加速度均方根震动控制效果分别为41.758%与43.406%,附加M1的减震结构加速度均方根控制效果远大于单独使用D40或D60减震结构中任一个,大致等于单独附加D40、D60两种工况震动控制效果相加,由此可以看出:将D40与D60两种RNES组合使用后,两种RNES并没有相互产生干扰或干扰幅度不大,且两种RNES能够共同运作,共同吸收和消耗能量,即本文所提出的MRNES是合理的,在实际工程应用中