TTLCD‑偏心结构转化为TTMD‑偏心结构的方法技术

本发明专利技术公开了一种TTLCD‑偏心结构转化为TTMD‑偏心结构的方法，属于工程结构抗震与耗能减振技术领域。所述方法包括：获得TTLCD中液体运动方程，以及TTLCD与偏心结构在振动过程中发生的相互作用力和力矩；获得等效TTMD的运动方程、控制力和力矩；建立地震作用下偏心结构动力平衡方程，以及TTLCD‑偏心结构和TTMD‑偏心结构两体系的耦联方程；找出TTMD相对位移和TTLCD中液体相对位移之间的关系，获得TTLCD‑偏心结构体系与TTMD‑偏心结构体系之间的质量比、频率比和阻尼比的关系式。本发明专利技术的方法能快速便捷地得到优化参数和数值模拟，从而提高该阻尼器对偏心结构的减振效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工程结构抗震与耗能减振
，特别涉及一种扭转调频液柱阻尼器(TorsionalTunedLiquidColumnDamper,TTLCD)-偏心结构转化为扭转调频质量阻尼器(TorsionalTunedMassDamper,TTMD)-偏心结构的方法。
技术介绍
偏心结构一般为建筑体型多样化、结构质量中心和刚度中心不重合，如中央电视台大楼、上海中心和上海国际金融中心等。地震时作用在质量中心的惯性力对刚度中心产生扭转力矩，导致结构发生不可修复的严重破坏。如1975年海城地震中，农电局办公楼的二层和局部三层由于结构布置不对称而增加了扭转的影响，西侧底层山墙严重开裂，交叉裂缝达10cm。在1976年唐山地震中，许多L形平面和其他不规则平面因扭转而破坏，其中天津人民印刷厂的角柱多处破坏。在1999年台湾地震中，许多不对称的砖房与钢筋混凝土框架结构都出现了明显的扭转震害特征。2008年汶川地震中部分复杂高层建筑的结构构件严重破坏。工程中所采用的传统设计方法是通过调整结构布置和增加抗扭刚度来减小偏心的扭转反应，但在建筑功能已经确定的情况下，结构布置调整余地很小，而增加抗扭刚度会增大构件的截面还会增大地震作用，所以传统的设计方法不能很好地解决偏心结构在地震作用下的扭转振动问题。结构振动控制技术被认为是减轻结构地震和风振反应的有效手段。在建筑结构减振研究中，调频质量阻尼器(TunedMassDamper,TMD)原理简单，已有频率比和阻尼比优化的经验公式，同时动力反应分析也可通过大型有限元程序进行数值模拟即弹簧与阻尼并联后再与质量点连接。但该装置系统的设计制作较为复杂，投入使用后需要经常性维护。调频液柱阻尼器(TunedLiquidColumnDamper,TLCD)是通过U/V型管中晃动的液体来增加结构的阻尼器，以此来达到减小结构振动的目的。由于TLCD具有易于安装和维护、造价低、可以与建筑中的供水装置相结合等优点，引起了研究者的广泛关注。扭转调频液柱阻尼器(TorsionalTunedLiquidColumnDamper,TTLCD)是一种有效抑制偏心结构纯扭转或平移-扭转耦联振动的减振控制装置，但TTLCD对建筑物的减振效果很大程度上取决于参数的选取。传统阻尼器参数优化设计方法主要利用随机振动理论和现代控制理论，以主体结构位移均方根和加速度均方根最小作为优化目标，并没有给出类似于TMD的最优参数设计表达式，这给实际的TTLCD设计带来了很多不便之处。TTLCD减振效果的数值模拟主要采用MATLAB编程，而MATLAB软件对复杂结构的数值模拟存在一定难度。由于TMD已有最优参数设计的表达式，并且采用有限元程序容易对TTMD减振器进行模拟，因此研究一种扭转调频液柱阻尼器(TTLCD)-偏心结构体系转化为扭转调频质量阻尼器(TTMD)-偏心结构体系来进行参数优化和数值计算的方法具有重大的工程意义。
技术实现思路
为了解决传统阻尼器参数优化方法不适用于TTLCD设计，以及TTLCD减振效果的数值模拟难度大等问题，本专利技术提供了TTLCD-偏心结构转化为TTMD-偏心结构的方法，所述方法包括：根据流体动力学理论，获得扭转调频液柱阻尼器中液体运动方程；根据动量与角动量守恒，获得扭转调频液柱阻尼器与偏心结构在振动过程中发生的相互作用力和力矩；根据达朗贝尔原理，获得等效扭转调频质量阻尼器的运动方程、控制力和力矩；建立地震作用下偏心结构动力平衡方程，并根据单个阻尼器控制偏心结构的某个振型，采用振型分解得到广义坐标方程，建立TTLCD-偏心结构和TTMD-偏心结构两体系的耦联方程；在相同的激励下，找出TTMD相对位移和TTLCD中液体相对位移之间的关系，获得TTLCD-偏心结构体系与TTMD-偏心结构体系之间的质量比、频率比和阻尼比的关系式。当倾斜管道的投影点为A(yA,zA,0)且倾斜角β＝π/2时，所述扭转调频液柱阻尼器中液体运动方程为：u··+2ζAωAu·+ωA2u=-κT0u··TT,]]>κT0=2AprfLeff,u··TT=rfθ··,Ifx=mfrf2,Leff=2H+AHABB,ωA=2gLeff.]]>其中，Ifx和rf为TTLCD对于偏心结构质心绕x轴的转动惯量和回转半径，mf为TTLCD中液体的质量；B为TTLCD的水平管道液柱的长度；H为TTLCD的竖直管道液柱的长度；AB为TTLCD的水平管道液柱的截面面积；AH为TTLCD的竖直管道液柱的截面面积；u为TTLCD中液体沿管壁运动时的相对位移；Ap为TTLCD的水平部分包含的面积；g为重力加速度；为偏心结构质心绕x轴的扭转角加速度；ζA和ωA分别为TTLCD的阻尼比和TTLCD的自振圆频率；yA和zA为竖直管道投影点A的y和z方向坐标。所述扭转调频液柱阻尼器与偏心结构在振动过程中发生的相互作用力和力矩为：FCMy=mf(v··g+v··-κ‾T3u··TTzA/rf),FCMz=mf(w··g+w··+κ‾T3u··TTyA/rf),κ‾T3=2HL1,]]>MCMx=mfrf(u··TT+κ‾T3yArfaz-κ‾T3zArfay)+mfrfκ‾T0u··,κ‾T0=κT0Leff/L1,L1=2H+ABAHB.]]>其中，mf为TTLCD中液体的质量；B为TTLCD的水平管道液柱的长度；H为TTLCD的竖直管道液柱的长度；AB为TTLCD的水平管道液柱的截面面积；AH为TTLCD的竖直管道液柱的截面面积；rf为TTLCD对于偏心结构质心绕x轴的回转半径；u为TTLCD中液体沿管壁运动时的相对位移；和为偏心结构质心沿y和z方向的相对位移加速度；az和ay分别为竖直管道投影点A沿y、z方向的相对位移加速度；和为地震沿y和z方向的加速度。所述等效扭转调频质量阻尼器的运动方程为：u··*+2ζA*ωA*u·*+ωA*2u*=-u··T*,ωA*=k*I‾CMx*,2ζA*ωA*=c*I‾CMx*,I‾CMx*=mA*rA*2,u&Cen本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TTLCD‑偏心结构转化为TTMD‑偏心结构的方法，其特征在于，所述方法包括：根据流体动力学理论，获得扭转调频液柱阻尼器中液体运动方程；根据动量与角动量守恒，获得扭转调频液柱阻尼器与偏心结构在振动过程中发生的相互作用力和力矩；根据达朗贝尔原理，获得等效扭转调频质量阻尼器的运动方程、控制力和力矩；建立地震作用下偏心结构动力平衡方程，并根据单个阻尼器控制偏心结构的某个振型，采用振型分解得到广义坐标方程，建立TTLCD‑偏心结构和TTMD‑偏心结构两体系的耦联方程；在相同的激励下，找出TTMD相对位移和TTLCD中液体相对位移之间的关系，获得TTLCD‑偏心结构体系与TTMD‑偏心结构体系之间的质量比、频率比和阻尼比的关系式。

【技术特征摘要】
1.一种TTLCD-偏心结构转化为TTMD-偏心结构的方法，其特征在于，所述方法包括：根据流体动力学理论，获得扭转调频液柱阻尼器中液体运动方程；根据动量与角动量守恒，获得扭转调频液柱阻尼器与偏心结构在振动过程中发生的相互作用力和力矩；根据达朗贝尔原理，获得等效扭转调频质量阻尼器的运动方程、控制力和力矩；建立地震作用下偏心结构动力平衡方程，并根据单个阻尼器控制偏心结构的某个振型，采用振型分解得到广义坐标方程，建立TTLCD-偏心结构和TTMD-偏心结构两体系的耦联方程；在相同的激励下，找出TTMD相对位移和TTLCD中液体相对位移之间的关系，获得TTLCD-偏心结构体系与TTMD-偏心结构体系之间的质量比、频率比和阻尼比的关系式。2.如权利要求1所述的TTLCD-偏心结构转化为TTMD-偏心结构的方法，其特征在于，当倾斜管道的投影点为A(yA,zA,0)且倾斜角β＝π/2时，所述扭转调频液柱阻尼器中液体运动方程为：u··+2ζAωAu·+ωA2u=-κT0u··TT,]]>κT0=2AprfLeff,u··TT=rfθ··,Ifx=mfrf2,Leff=2H+AHABB,ωA=2gLeff.]]>其中，Ifx和rf为TTLCD对于偏心结构质心绕x轴的转动惯量和回转半径，mf为TTLCD中液体的质量；B为TTLCD的水平管道液柱的长度；H为TTLCD的竖直管道液柱的长度；AB为TTLCD的水平管道液柱的截面面积；AH为TTLCD的竖直管道液柱的截面面积；u为TTLCD中液体沿管壁运动时的相对位移；Ap为TTLCD的水平部分包含的面积；g为重力加速度；为偏心结构质心绕x轴的扭转角加速度；ζA和ωA分别为TTLCD的阻尼比和TTLCD的自振圆频率；yA和zA为竖直管道投影点A的y和z方向坐标。3.如权利要求2所述的TTLCD-偏心结构转化为TTMD-偏心结构的方法，其特征在于，所述扭转调频液柱阻尼器与偏心结构在振动过程中发生的相互作用力和力矩为：FCMy=mf(v··g+v··-κ‾T3u··TTzA/rf),FCMz=mf(w··g+w··+κ‾T3u··TTyA/rf),κ‾T3=2HL1,]]>MCMx=mfrf(u··TT+κ‾T3yArfaz-κ‾T3zArfay)+mfrfκ‾T0u··,κ‾T0=κT0Leff/L1,L1=2H+ABAHB.]]>其中，mf为TTLCD中液体的质量；B为TTLCD的水平管道液柱的长度；H为TTLCD的竖直管道液柱的长度；AB为TTLCD的水平管道液柱的截面面积；AH为TTLCD的竖直管道液柱的截面面积；rf为TTLCD对于偏心结构质心绕x轴的回转半径；u为TTLCD中液体沿管壁运动时的相对位移；和为偏心结构质心沿y和z方向的相对位移加速度；az和ay分别为竖直管道投影点A沿y、z方向的相对位移加速度；和为地震沿y和z方向的加速度。4.如权利要求3所述的TTLCD-偏心结构转化为TTMD-偏心结构的方法，其特征在于，所述等效扭转调频质量阻尼器的运动方程为：u··*+2ζA*ωA*u·*+ωA*2u*=-u··T*,ωA*=k*I‾CMx*,2ζA*ωA*=c*I‾CMx*,I‾CMx*=mA*rA*2,u··T*=rA*θ··.]]>控制力和力矩为：FCMy*=-mA*(v··g+v··),FCMz*=-mA*(w··g+w··),MCMx*=I‾CMx*(u··T*+u··*)/rA*]]>其中，k*和c*分别为TTMD质量、阻尼和刚度；和为TTMD对于偏心结构质心绕x轴的转动惯量和回转半径；u*为TTMD相对位移；和为偏心结构质心沿y和z方向的相对位移加速度；和为地震沿y和z方向的加速度。速度；为偏心结构质心绕x轴的扭转角加速度；和分别为TTMD的阻尼比和TTMD的自振圆频率。5.如权利要求4所述的TTLCD-偏心结构转化为TTMD-偏心结构的方法，其特征在于，在偏心结构第i层放置一个TTLCD，当单个TTLCD控制偏心结构的第j振型，偏心结构运动方程、TTLCD运动方程和控制力中的位移采用所控制的振型j近似表示为：vi＝qjφj(3i-2)，wi＝qjφj(3i-1)，uTi＝rSiθi＝qjφjxi，所述TTLCD-偏心结构体系的耦联方程为：1+μjλ‾ijmfj/mjλij1q··ju··+2ζSjωSj002ζA...

【专利技术属性】
技术研发人员：符川，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11