工程结构振动控制一三章课件

工程结构振动控制运载工程与力学学部第一章振动控制概述1.1振动控制的分类振动问题动力响应（response）：有外扰作用下的响应。结构动力学问题：激励;结构;响应。控制问题：输入；系统；输出。振动控制对有害的振动进行抑制。振动控制是指，对系统的动态响应加以控制，使系统的振动水平处在可以接受的范围。按要否能源区分,振动控制可分为无源控制与有源控制，前者又称被动(Passive)控制，后者又称主动(Active)控制。

消振:振源是系统产生过度振动的根源，如果能减小振源产生的激励能量(例如，减小安装在结构上的旋转机械的偏心度)，则系统的过度振动就不会出现。这种减小振源激励能量的技术措施，称之为消振。控制方法：隔振:改变振源对需减振系统激励能量的频谱结构，减小能够传递到系统的所谓通过频率的激励能量，从而使系统的振动受到抑制，这种措施称为隔振。它要在振源与需减振的系统之间安装附加子系统，将振源与系统分隔开来，从而达到减振目的。

吸振：在需要减振的结构上附加辅助子系统，使振源的激励能量分配到结构与辅助子系统上，并使分配到结构上的能量最小，这样就可达到结构减振的目的。这种方法称为吸振，相应的辅助子系统称为动力吸振器。吸振器给系统提供抵消激振力的所谓吸振力，从而减小了系统本身的动响应。TunedMassDamperRubberBearings(Base-Isolationsystem)ViscousDamperHystereticSteel,FrictionDamper1.2振动控制技术的发展现状

被动控制装置SchematicDiagramofActiveEnergyDissipationSystemStructureActivecontrolsystemResponseExcitationFeedbackloopSensorsSensorsFeedforwardloopPowerController主动控制装置ActuatorU(t)ActiveMassDriverActiveTendonSystemRubberBearings(Base-IsolationSystem)Actuators分层橡胶支座是由薄橡胶片与钢板相互交错叠置数层，上下有翼缘，支座平面形状多为圆形或矩形。分层橡胶支座中心通常为空心孔。通过设计分层橡胶支座的竖向刚度和水平刚度可改变结构的自振频率，达到隔震效果。另外，橡胶支座在变形过程中消耗能量，提供了阻尼，这种阻尼主要取决于橡胶层变形的速度。以天然橡胶为主要材料制作的支座，典型的阻尼系数范围为临界阻尼比的5％～10％。（2）铅芯橡胶支座抗震结构与隔震结构的区别抗震结构：利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用，吸收地震能量。立足于“抗”。隔震结构：在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层，阻止地震能量向上传递。

立足于“隔”。为达到明显减震效果，通常基础隔震系统需具备以下四种特性：(1)承载特性：具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结构的重量；(2)隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下，体系能保持在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时，其水平刚度较小，结构为柔性隔震结构体系；(3)复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满足正常的使用要求。(4)耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能耗散足够的能量，从而降低上部结构所吸收的地震能量。隔震系统应用基础隔震的概念早在19世纪已有人提过，广义的隔震方案则更是源渊流长，如北京故宫就设有糯米加石灰的柔性减震支座层；现代的基础隔震理论和实践开始于上世纪70年代，基础隔震方案很多，下面作简单介绍1.早期隔震技术河合浩藏（Kawai）的“地震时不受大震动的结构”右图是1891年河合浩藏的“地震时不受大震动的结构”。其隔震思路是在地基上并排铺设了数层圆木，并且把建筑物周围挖空，从而地震时可对上部建筑起到隔震柔性层隔震结构(Flexiblefirst-storybuilding)

柔性层结构隔震概念由Martel在1929年提出，由Green(1935年)和Jacobasen(1938年)进一步加以研究与完善；下图是真岛健三郎于1934年的柔性层结构。地震时，柔性层进入塑性，结构的刚度变小，结构的基本周期延长，从而导致上部结构所受的地震作用减小。

滚动支撑类隔震系统（Rollerbearingsystem）为克服柔性层结构所带来的缺陷，科学家们相继提出了多种滚动支撑类隔震系统，工作元件有球形和椭圆形等多种，但由于其隔震是有向性的，而地震是具有无向性，这些类型的隔震系统均未能推广应用。

最新隔震技术隔震橡胶支座(Thelaminatedrubberbearing)隔震系统。中南加州大学医院地下一层，地上7层，建筑面积：33000平方米；占地：4100平米；最高高度：36。0m；铅芯多层橡胶隔震器68个，多层橡胶隔震器81个。中南加州大学医院在这次地震及其其后的余震中，6-8英尺高的花瓶等没有一个掉下来，建筑物内的各种机器等均未损坏，医院功能得到维持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。下图分别是世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑(TheWilliamClaytonBuilding,NewZealand)和世界上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑(日本)。

日本1997年度评定的隔震建筑中，采用铅芯橡胶支座隔震房屋占总数的40%，美国在1985年以后兴建的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的60.7%，我国在已建成的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的60%。2.2动力吸振器（1）调频质量阻尼器（TMD）（2）主动质量阻尼器（AMD）（3）调频液体阻尼器（TLD）KyobashiSeiwaBuilding(1989)AMD-1AMD-2ControlComputerSensorSensorSensorNanjingTVTower(2000)台北－101大楼被称为“台北新地标”的101大楼于1998年1月动工，主体工程于2003年10月完工。有世界最大且最重的“风阻尼器”，还有两台世界最高速的电梯，从一楼到89楼，只要39秒的时间。在世界高楼协会颁发的证书里，台北101大楼拿下了“世界高楼”四项指标中的三项世界之最，即“最高建筑物”(508米)、“最高使用楼层”(438米)和“最高屋顶高度”(448米)。「抗风制震」的超大重球－风阻尼器九十二楼到八十七楼悬掛着世界最大、最重的风阻尼器（800顿），它利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。其设计概念在于自动的吸收球体质量块摆动时之冲击能量，并藉由地震时大楼的摆动来抵消所吸收的能量。地震时，藉由球体本身调整移动的方向和振幅，不但减低了101大楼的摇晃程度，即使遇到颱风，也能减低大楼受风力吹袭时之摆动，以确保大楼人员工作时的舒适度。HybridMassDriverYokohamaLandmarkTower(1993)（1）粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器是由两块T型钢板与一块中心板夹两层粘弹性物质组成。将阻尼器的两块T型钢板和中间所夹的中心板分别安装于钢结构的柱上和格架下弦处，当由于外力作用(振动)引起柱与桁架下弦之间产生错动时，可令两块粘弹性物质剪切变形，并耗散能量，从而达到减小结构振动的目的。2.3阻尼器（2）粘滞阻尼器Full-Scale20tonsMRDamperVariableStiffnessDamperVariableStiffnessDamper第三章被动控制3.1被动控制装置的设计与计算步骤：

1.确定要使用的控制装置数量和位置

2.通过某种控制策略或参数分析确定控制装置的参数问题的提出调谐质量阻尼器（TunedMassDamper，TMD）建立运动方程假定作用在主质量上的激振力为简谐荷载则稳态响应可分别写为克莱姆法则（Cramer’sRule）是安装了TMD后主质量响应的幅值，可表达为、分别为TMD的自振圆频率和阻尼比、分别为主质量振动体系的自振圆频率和阻尼比加装TMD后主质量动力放大系数为用SIMULINK求解代数方程a1=2;a2=−3;a3=−1;a4=1;a5=5;a6=4;a7=−6;a8=1;a9=2;k1=−8;k2=−7;k3=5;z1=2z2