本文是一篇建筑工程管理论文，本文所推导出的力学模型及动力学方程，通过数值模拟得到的结果与试验结果数据吻合良好，验证了两者的合理性与正确性，为轨道NES的理论发展提供了坚实的基础。
第1章绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
地震作为目前人类生活中最常见的自然灾害之一，不仅会对房屋建筑造成巨大的损害，还会给人类的生命带来巨大的威胁和上海。建筑结构的损坏、变形和坍塌是造成震害主要的原因之一。总所周知的1976年唐山地震、2008年汶川大地震都对人们的生命财产造成了巨大的损害。至今我国的某些区域仍在时不时发生不同等级的地震。所以必须重视建筑结构的抗震设计意义深远，如何减小地震给建筑物带来的损害，从而尽量保证人类的生命安全，是如今土木工程领域多数学者必须研究的课题。
传统的结构设计方法主要依赖于改变建筑物本身固有特性，例如通过调整建筑物的刚度、阻尼或质量分布来增强结构对外界比如地震、台风海啸等的抵抗力。随着时间的推移，建筑结构设计领域不在局限于调整建筑物的固有特性，而是转变为主动控制的策略，通过主动控制技术对结构进行响应控制。
1972年美国华裔学者姚治平[1]在土木领域首次提出结构振动控制技术概念以来，结构控制技术已经在建筑工程中得到了广泛的应用。其中被动控制技术只会消耗外界传递到系统的能量而自身不会产生能量，易于操作，且容易制作安装、成本低等优点，使其成为了近年来实际应用中的热门技术。其中，应用最为广泛的便是调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)，这种减振装置一般安装与主体结构的顶层，当其自振频率与主体结构基频相调谐时，两者形成共振，通过阻尼原件来消耗外界的能量，从而减小主体结构的振动响应。但这种装置存在频带较窄的问题，当主体结构受到损坏、变形、沉降或其他因素而改变自振频率，与主体结构失谐后，TMD可能无法达到预期的减振效果，更糟糕的是，它甚至有可能加重振动反应。
1.2相关研究进展
1.2.1结构振动控制技术研究现状
面对自然灾害以及各种人为灾害，结构控制技术已广泛应用于建筑工程中，早期人们单纯依赖的增强建筑结构的刚度和强度已经被证明在成本效益以及不能满足人类舒适需求等方面存在局限性。结构控制技术可以有效提高结构的安全性能，减小外部荷载对建筑结构造成的损害。它分为被动控制、主动控制、半主动控制及和主动被混合控制[5–7]。近年来被动控制、主动控制和半主动控制已经成为了结构振动控制的主要方法[8]。其中，被动控制分为基础隔震、消能减震和吸能减震三种方法。
基础隔震主要依靠减隔震装置来延长主体结构的自振周期，减小外部荷载输入结构的能量和加速度，从而大幅而达到减振的目的。研究表明，基础隔震技术的适用面极广，不仅可以突破现行抗震规范中对建筑层数的限制，可以应用于底层、高层的建筑，还可以用于已有建筑的抗震加固和层间隔震[9]。但其不适用于抗风及竖向地震作用带来的振动，并且尽管采取基础隔震技术能够延长建筑结构地自振周期，从而在一定程度上降低地震对结构的破坏，但是在遭遇长周期地震波影响的区域，这种隔震技术的减震效果并不尽如人意。此外，隔震材料自重较大，对于施工过程也是极大的挑战。
第2章新型轨道非线性能量阱的构造与工作原理
2.2新型轨道非线性能量阱装置简介
新型轨道NES的结构简图如图2-1所示，整个装置包括：钢管作为圆形轨道、滚动质量钢棒、钢底板及固定钢管位置的角钢，其中钢棒的长度与钢管长度相适应。本装置安装在模型结构的顶层，并且具有结构设计简单，制作成本低的优点，其中钢管的直径、钢棒的质量及钢棒的包裹材质也都可以轻松变换，以满足不同工况的试验要求。
正常状态下，钢棒处于圆形轨道的最低处，且不发生滚动。当主体结构受到外界的激励产生振动时，轨道NES中的钢棒受到结构的作用力从而随之运动，并通过自身阻尼来快速消耗传递而来的能量，使主体结构的振动受到控制并迅速衰减外部响应。
2.3数值模拟结果分析
在建筑工程领域，加速度响应幅值(Peak Acceleration，PA)是一个关键的性能指标，其数值直接关系到结构所承受的惯性力大小，且常用于评估地震作用下的强弱程度。另一方面，加速度均方根(Root Mean Square of Acceleration，RMSA)作为表征随机振动试验中平均能量水平的参数，也对于衡量振动的整体效应有着重要的意义。因此，本文采用框架模型顶部的加速度响应幅值及加速度均方根变化作为评估轨道NES的减振效果η的指标。
3.2.1地震波的影响分析
在输入地震波峰值分别0.1-0.4g的情况下，讨论轨道NES对单自由度框架模型的减振效果。图3-1和图3-2分别列举了地震波El Centro及地震波Chi Chi波激励下结构在0.1-0.4g范围内，受控结构顶层的加速度响应时程曲线。
从图3-1中可以看出，在地震波El Centro下，轨道NES不仅显著降低了顶层加速度的峰值响应，同时使得受控结构整体的振动响应在大部分时间内都处于较小的水平。原因是在于地震波El Centro地震波能量高值主要集中在在1-5Hz之间，而轨道NES的自振频率在5Hz附近，地震波El Centro的频谱特性与轨道NES接近，从而导致滚子在运动过程中耗散了大量的能量，使得减振效果显著。
第3章新型轨道非线性能量阱的数值模拟.............................18
3.1引言......................18
3.2数值模拟结果分析.......................18
第4章新型轨道非线性能量阱的振动台试验研究.......................30
4.1引言..........................30
4.2试验概况........................30
第5章结论与展望.............................52
5.1结论.....................52
5.2后续工作和展望.......................53
第4章新型轨道非线性能量阱的振动台试验研究
4.2试验概况
4.2.1试验模型
为了能够更准确的反映轨道NES自身的性能特点，本实验选择了一个单自由度结构作为受控对象。本试验将一现有三层钢框架改造为单层。模型总高度3m，框架平面尺寸为1.4m×1.4m，立柱采用尺寸为5mm×80mm×80mm，长为3m的Q235方钢管。梁截面为150mm×75mm×5mm×7mm的HN型钢。将其1层所有横梁去掉，改为单层钢框架模型，框架模型正立面、侧立面分别见图4-1a和图4-1b。模型框架顶层放置21块尺寸为8mm×360mm×1475mm的Q235钢板用于配重，两端栓接于主梁上，即顶层附加质量为700kg。配重板与横梁通过8.8级M10结构螺栓进行连接。框架总质量为1.2t，放置在实验室振动台上如图4-1c。结构模型参数如表4-1所示。
第5章结论与展望
5.1结论
为了全面探讨轨道NES的而减震效果及其数值模型的准确性，本文通过理论分析、数值模拟以及振动台试验三个方面的研究，得出了以下结论：
（1）通过数值模拟和振动台试验研究揭示了新型轨道NES装置的减振机理，研究表明轨道NES的减振性能与多个关键参数密切有关，包括滚子的质量、轨道面的摩擦系数等。这些参数的不同组合对于减振效果也有着显著的影响，为后续参数的优化提供了重要的理论依据。
（2）通过加速度峰值响应和均方根峰值响应的对比分析研究，发现加速度均方根的减振效果普遍优于加速度峰值响应的减振效果，可以得出新型轨道NES可以有效削弱建筑结构的振动，该装置还可以有效地吸收和耗散受控结构在地震激励下的振动能量。在加速度峰值为0.4g时，加速度峰值的减振效果最高达到了32.00%，加速度均方根响应减振效果最高达到51.85%。
（3）在地震波El Centro的激励下，轨道NES表现出了优越的减振效果。这一结果表明，新型轨道NES在实际地震作用下具有很高的实用价值，能够为建筑结构提供有效的保护；但输入地震波的强度大小对受控结构的抑制效果影响不大，主要在28.16%-32.00%之间，主要还是取决于地震波自身的频谱特性。这也意味着在设计减振系统时，需要关注地震的频谱特性，而非单纯的强度。
（4）轨道NES减振装置的减振效果与装置与主体结构的质量比密切相关，质量比越大减振效果越好，但减振效果的变化幅度随着质量比的增大而减小，最大可达到38.66%；而在给定主体结构、质量比外部激励的前提下，NES减振装置的减震效果与阻尼比、半径差密切相关，在一定范围内减振效果分别随着阻尼比、半径差的增大而增大，但是达到最优减振效果后，减振效果随着阻尼比、半径差的增大而减小。
参考文献（略）
