结构被动调谐质量阻尼器的非线性特性及其控制效果影响研究

As one of the passive control devices, Tuned Mass Damper(TMD) has been widely applied to civil structures. Under dynamic loads such as strong wind, TMD will yield large deformation and exhibit nonlinear behaviors. However, traditional design of TMD system is based on the linear assumption. Therefore, considering nonlinear properties in the design and analysis of TMD system is of great importance. In this proposal, spring nonlinearity, pendulum nonlinearity and boundary nonlinearity of TMD will be studied by theoretical, numerical and experimental analysis. The main research tasks of this proposal are outlined as following: 1) The simplified analytical models of the TMD considering different nonlinearities will be proposed. 2) Different nonlinear analytical methods will be studied considering spring nonlinearity, pendulum nonlinearity and boundary nonlinearity. The relation between the TMD parameters and design variables will be derived. 3) The suitable design theory and method for the engineering application of TMD devices will be presented based on the simplification of the above relation. 4) Repeatable TMD experimental models considering nonlinearities will be developed to verify the effectiveness of the proposed methods.

被动调谐质量阻尼器（TMD）作为一种被动控制装置，在土木工程结构中得到了广泛应用。TMD在诸如强风等动力荷载作用下容易进入大变形阶段，从而体现出非线性行为。然而传统的TMD设计都是基于线性假设的，因此需要研究考虑TMD非线性特性的分析与设计方法。本项目主要针对此问题，对考虑弹簧非线性、单摆非线性及边界非线性的TMD进行理论分析、数值仿真和试验研究。具体为：1. 针对考虑非线性特性的TMD装置，建立合理的简化分析模型；2. 采用不同的非线性分析方法，分别对考虑弹簧非线性、单摆非线性及边界非线性的TMD模型进行理论分析和仿真分析，得出TMD相关参数与设计变量之间的影响规律；3.简化TMD相关参数与设计变量之间的影响规律，提出适合于工程应用的TMD设计理论和方法；4. 建立可重复使用的考虑非线性特性的TMD试验模型，验证所提出的分析结果和设计方法的合理性和有效性。

在土木工程结构减震控制中，调谐质量阻尼器由于其维护简单和控制效果较好等优点，得到了广泛应用。然而调谐质量阻尼器由于较大变形或限位装置可能会表现出非线性行为。因此需要研究调谐质量阻尼器中的非线性特性及其对控制性能的影响。本项目针对以上的问题，对于调谐质量阻尼器的各种非线性特性进行了深入系统的研究。具体为：1. 针对调谐质量阻尼器中的弹性非线性，基于解耦近似单自由度分析完成了考虑弹性非线性的调谐质量阻尼器研究；基于谐波平衡法和复变量平均法完成了考虑弹性非线性的改进设计研究；完成了考虑高阶非线性刚度的调谐质量阻尼器控制设计；基于复变量平均法完成了考虑非线性能量阱的调谐质量阻尼器研究。2.针对调谐质量阻尼器中的单摆非线性，应用谐波平衡法完成了周期近似解的求解；对单摆式调谐质量阻尼器装置进行改进，提出了一种近似线性的圆弧挡板装置，使其满足线性化设计要求，可以实现比传统单摆更好的控制效果。3. 针对调谐质量阻尼器中的边界非线性和阻尼非线性，基于统计线性化方法完成了考虑分段刚度-阻尼的调谐质量阻尼器线性化研究；通过引入限位装置实现考虑边界非线性的调谐质量阻尼器，并分析了其控制性能；基于分段惯容器装置完成了考虑分段线性的调谐质量阻尼器研究；基于电涡流完成了阻尼非线性的调谐质量阻尼器研究。4.针对非线性调谐质量阻尼器的实验研究，完成了考虑不同非线性特性的调谐质量阻尼器实验研究，并对前面所提出的装置和原理进行了实验验证。所研究的成果基本上覆盖了调谐质量阻尼器的大部分非线性特性，对于提高调谐质量阻尼器的控制效果，更合理的考虑和利用调谐质量阻尼器中的非线性特性具有重要的意义。