高层工业厂房结构振动控制理论研究

In the past 3 decades the structure control theory has been studied and popularized in many countries. Yet the vibration (seism, pneumatic, and mechanical vibration) control study on the structure of High-rise industrial building（gasification device e.g.）is far from adequacy. Such structure is characterized by the following facts: reinforced concrete and steelwork compose a compound high level system which has a transition level with large storey height and span; numerous heavy equipments in the structure are mostly distributed at the upper-middle level; under the influence of seism, wind or equipment vibration, the structure creates great twisting vibration and interlayer response, some of which exceed the standard limit value. Consequently, it is essential to control this kind of structure vibration. The main research contents are: 1. the twisting vibration and interlayer displacement control on the structure of High-rise industrial building; 2. nonlinear finite element pattern of the viscous damper, reasonable damping matrix analysis and the control on such structures; 3. mechanical model of magnetorheological elastomers damper (MRED) and the principle of structure control using MRED. The main innovative points are: 1. improving the traditional theory of viscous damper on the basis of computational model of nonlinear viscous damper and its structure control theory; 2. proposing its structure control theory on the basis of MRED to solve the problem of its greater twist and interlayer response of the High-rise industrial building; 3. controlling the vibration at transition level effectively on the basis of the different function and distribution of the two above-mentioned dampers.

结构控制理论在近30多年内已在许多国家得到研究推广。但对高层工业厂房（如：煤气化装置框架）的振动（地震、风、机械振动）控制研究很欠缺。高层工业厂房的特点：钢筋混凝土与钢结构组成混合高层体系，有转换层，层高较高跨度较大；结构内设备多又重且多分布在结构中上层；在地震、风或设备振动下，结构产生较大扭转振动和层间响应，有的超过规范限值。故有必要研究这种结构振动控制，并具有很好的理论价值和工程应用价值。主要研究内容：1.高层工业厂房的扭转振动和层间位移控制；2.粘滞性阻尼器的非线性有限元格式、合理的阻尼矩阵分析及对此类结构控制；3.磁流变弹性体阻尼器力学模型及其结构控制原理。创新点：1.基于非线性粘滞性阻尼器计算模型及其结构控制理论，改变粘滞性阻尼器的传统理论；2.研究新型MRE，提出其结构控制理论，很好解决结构较大扭转和大层间响应问题；3.研究以上两种阻尼器不同功效和布置方式，有效控制转换层振动。

高层工业厂房结构通常是由预制钢柱，钢梁，钢结构基础，钢屋架拼装而成的钢结构。并且厂房结构上往往装设有质量较大的机械设备或存储装置。该项目以偏心高层工业厂房结构的振动控制为研究内容，采用被动和半主动振动控制措施对偏心高层工业厂房中的设备和厂房结构的平动和扭转振动进行控制。并获得如下创新性成果：.（1）以江苏索普醋酸厂的钢结构化工厂房和某煤气化高层工业厂房为研究对象，这两个厂房均为带有设备的偏心工业厂房，利用有限元分析软件ANSYS建立了厂房结构的有限元模型，通过对模型进行自振特性和动力响应分析，弄清了厂房结构平动和扭转振动较大的楼层，并将其确定为薄弱层。同时分析了厂房中设备在地震作用下的响应，这些为制定结构振动控制策略提供了依据。.（2）研究了附加有流体粘滞阻尼器（fluid viscous damper，以下简称FVD）振动系统的数值计算方法。先后提出了两种用于附加有FVD振动系统计算的算法。方法一：附加有FVD的振动系统紧耦合算法；方法二：附加有FVD的振动系统阻尼分时段线性化算法。通过这些算法，可为采用FVD附加阻尼的振动控制系统设计提供科学客观的依据。.（3）以某高层煤气化工业厂房为研究对象，并在煤气化高层工业厂房中装设磁流变弹性体（MRE）阻尼器，通过SIMULINK进行仿真分析，研究了半主动控制对高层煤气化工业厂房地震响应的控制效果。.（4）以江苏索普醋酸厂的钢结构化工厂房为研究对象，研究偏心结构的混合振动控制。针对设备和钢框架结构的振动控制问题，提出了三种振动控制方案，通过对这三种减震方案的减震效果、控制策略难易和经济角度等方面的对比，优选粘滞阻尼器和磁流变弹性体阻尼器的混合振动控制方案。当粘滞阻尼器和磁流变弹性体阻尼器共同作用时，对钢框架结构的平动和扭转振动控制效果要好于单一阻尼器作用时的减震效果。 .（5）通过1:8缩尺模型振动台试验，验证了理论分析结果及控制方案的有效性和控制效果。