结构振动控制系统的能量一致设计方法-土木工程、防灾减灾工程与防护工程专业论文.docx

摘要结构振动控制是土木工程领域的多学科交叉研究方向，是结构抗震抗风 的有效方法。在各种结构振动控制方法中，被动和半主动控制具有控制效果 好、所需外界能源小、实用性强等特点；结构主动控制所需外界能源较大， 降低了其在极端环境下的可靠性，但主动控制具有严密系统的理论。采用主 动控制理论，进行结构被动和半主动控制的分析和设计，是结构振动控制领 域新的研究课题。本文的主要研究内容如下： 首先，从结构振动能量角度出发，提出线性结构的被动和半主动控制系统参数的能量一致设计方法。即假设结构被动控制或半主动控制系统与结构 主动控制系统消耗相同的结构振动能量，结构被动控制体系或半主动控制体 系的动力反应也相应地与结构主动控制体系相同，根据上述两个原则，利用 结构主动控制理论设计结构被动控制系统和结构半主动控制系统的参数。通 过20层线性结构抗震Benchmark模型和8层线性结构隔震Benchmark模型 阐述结构被动控制系统和半主动控制系统能量一致设计方法及其有效性。其次，提出基于滑动模态控制理论的非线性结构被动控制系统和半主动 控制系统的能量一致准则和最大力一致准则两种设计方法；建立结构半主动 变阻尼控制系统、半主动变摩擦控制系统、半主动磁流变控制系统和粘弹性 被动控制装置的参数设计方法。第三，提出相邻两结构振动控制装置布设位置的粒子群优化算法，建立 相邻两结构被动控制和半主动控制系统参数的能量一致准则设计方法，并进 行算例分析。第四，以结构基底隔震和结构主动调频质量控制系统为例，分析结构主 动控制力的阻尼力特征和弹性力（正刚度和负刚度）特征，定义定量评价结 构主动控制力负刚度特征的指标，揭示被动控制和半主动控制替代主动控制 的条件和机理。最后，以光滑滑移退化滞变位移微分方程为例，研究光滑滑移退化滞变 模型参数识别和灵敏度分析的粒子群算法；提出非线性滞变模型的代理模型 选择方法。关键词 结构振动控制；设计方法；能量一致准则；非线性系统；辨识AbstractStructuralvibrationcontrolisahighlypioneeringandinterdisciplinary researchaspectincivilengineeringfields,anditprovidesanefficientwayfor seismicandwindhazardmitigation.Amongthevariousstructuralcontrolschemes,passivecontrolandsemi-activecontrolhaveprofoundpracticalimplications;theypossessthedistinctivefeatureofsatisfactoryvibration reductionandlowerenergyconsumption.Structuralactivecontrolschemeneedlargeexternalpowersources,thusdecreasedsystemreliability androbustnessareexpectedinextremelyadversecircumstances.However,structuralactivecontrolhasacomprehensivetheoryfoundation,andthedesignofpassiveandsemi- activecontrolsystemsbasedonactivecontroltheoryisarelativelynewresearchtopicinstructuralvibrationcontrolresearch.Themainresearchcontentsofthisdissertation aredescribedasfollows:Firstly,fromtheviewpointofstructuralvibrationenergy,theequivalentenergycriteriabaseddesignmethodology ofpassive andsemi-active controlsystemparametersforlinearstructureswasproposed.Itisassumed that theenergydissipatedbythepassiveandsemi-activecontrolsystemisidenticaltothatofactivecontrolsystem;meanwhile,theresponseofpassiveandsemi-activecontrolsystemisalsoequaltothatofactivec