摘要：非线性能量阱(Nonlinear energy sink,简称NES)技术是有别于传统质量调谐阻尼器(TMD)技术的附加子结构被动...非线性能量阱(Nonlinear energy sink,简称NES)技术是有别于传统质量调谐阻尼器(TMD)技术的附加子结构被动控制技术,其控制原理是通过设置具有强非线性刚度特性的附加子结构,利用非线性系统所特有的模态内共振特性,使子结构对主结构的动力响应形成内共振俘获(Internal resonance capture)行为,吸收主结构响应能量并耗散掉。NES既保持了被动式的特点,又具有拓展控制带宽、提高鲁棒性和控制效果的技术潜力,在土木建筑工程减震方面具有重要的研究与应用前景。为研究新的具有强非线性回复力特性、且具有更好减震控制性能的NES,本文提出双势阱磁力型NES来实现更为高效的结构地震响应被动控制,通过数值模拟和试验研究相结合的方法进行研究,具体的创新点和工作包括:(1)通过等效磁荷法建立矩形磁铁的磁力解析模型,获得两磁体间相互作用的非线性作用力解析表达式;利用永磁体间相互作用的本质非线性恢复力关系以及通过合理选择磁体的尺寸与布置形式,提出一种同时具有光滑负刚度特性与双势阱特性的新型非线性能量阱,双势阱磁力型非线性能量阱(Magnetic Bi-stable Nonlinear Energy Sink,简称磁力型NES)来实现结构地震响应控制。(2)针对典型分析模型,使用脉冲型荷载分别对磁力型NES、立方NES和TMD三种控制装置进行数值参数寻优,考察各优化的控制方式在减震性能上的差异。结果表明:与已有的立方NES相比,磁力型NES在减震控制性能上全面占优;与TMD相比,磁力型NES在对主结构动力特性变化的鲁棒性上优于TMD,在对地震动峰值变化的鲁棒性上与TMD相当。(3)应用数值小波变换构造功率谱,从时频域上分析磁力型NES的减震控制机理,分析结果表明,在地震作用过程中,磁力型NES总体上可对主结构产生更为显著、更为持续的宽频域内共振行为,以此该装置可发挥出较好的减震性能。这种宽频内共振特性,特别是其瞬时次谐波内共振的俘获行为对主结构基频的改变并不敏感,故其减震控制性能具有强鲁棒性。(4)研究摩擦阻尼对磁力型NES减震控制性能的影响,包括地震动记录峰值以及摩擦系数的影响。结果表明:摩擦磁力型NES在减震控制性能上基本保持与粘滞磁力型NES相当。地震动峰值与摩擦系数在一定变化范围内,摩擦磁力型NES仍保持较好的减震控制性能,具有较好的鲁棒性。(5)以广州新电视塔作为工程案例,研究广州塔结构采用磁力型NES在短、长周期地震动作用下的响应特性,并构造其响应过程的小波功率谱,综合分析地震动周期对超高耸结构采用磁力型NES的时频影响规律。结果表明:长周期地震动显著增加了超高耸结构的响应,最优参数设计的磁力型NES对短周期、长周期地震响应均起减震控制作用,控制性能对地震动卓越周期的变化具有良好的鲁棒性。(6)设计制作了磁力型NES装置模型,对装置模型进行往复性能试验和参数相关性试验研究,应用数值识别技术修正理论模型误差。在此基础上,进行磁力型NES减震控制体系的模型振动台试验研究,结果表明,数值仿真与试验结果两者吻合度较高,数值模拟仿真的精确性以及理论分析的合理性得到验证;在模型实际参数与理论设计值存在偏差的情况下,磁力型NES依然发挥出良好的减震控制性能,有着较强的鲁棒性。更多还原显示全部
