【摘 要】
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近三十年来,经济的蓬勃发展促进了施工建造技术和建筑材料性能的不断提升,高层建筑有如雨后春笋一般拔地而起。而我国东南及华南沿海地区更是台风极端天气多发地,对于高层建筑而言,外形细长、质量轻且阻尼小等特征却使其对风荷载变得敏感,风荷载已成为其抗风结构设计中必须考虑的主要控制荷载。本文结合摩擦摆系统(Friction Pendulum System,FPS)限位复位功能和调谐质量阻尼器(Tuned Ma
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近三十年来,经济的蓬勃发展促进了施工建造技术和建筑材料性能的不断提升,高层建筑有如雨后春笋一般拔地而起。而我国东南及华南沿海地区更是台风极端天气多发地,对于高层建筑而言,外形细长、质量轻且阻尼小等特征却使其对风荷载变得敏感,风荷载已成为其抗风结构设计中必须考虑的主要控制荷载。本文结合摩擦摆系统(Friction Pendulum System,FPS)限位复位功能和调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)耗能减振的优点,形成摩擦摆调谐质量阻尼器(FPS-TMD),以结构控制第三代Benchmark模型一栋76层钢筋混凝土建筑作为计算实例,研究顶部带FPSTMD系统的高层建筑风振控制效果,并基于NI CompactRIO嵌入式系统开展实时混合试验进行对比分析。本文主要研究内容及研究工作如下:采用LabVIEW与MATLAB/Simulink联合仿真策略,详细介绍软件开发环境。LabVIEW友好的用户界面结合图形化编程有助于快速开发控制程序,同时提供了众多软件工具包以扩展编程环境。本文利用SIT工具包与MATLAB/Simulink,建立Labview与其之间的连接,发挥MATLAB/Simulink强大的数值计算功能,并借助RTW工具包编译联合仿真过程所需要的Simulink模型文件。对FPS-TMD系统的风振控制理论进行研究,建立了FPS-TMD系统的结构动力分析模型,将其应用到高层建筑顶部,建立并推导顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振动力方程,并采用Newmark-β法求解风荷载作用下加速度、速度和位移响应表达式。将76层钢筋混凝土Benchmark模型建筑作为本文算例,采用谐波叠加法辅以准定常假定模拟结构顺风向脉动风荷载时程,并采用已有的风洞试验测量得到的横风向脉动风荷载时程,基于相似理论进行缩尺处理,通过数值模拟方法研究顶部带FPS-TMD系统的Benchmark模型建筑,在不同重现期设计风荷载作用下的风振控制效率。阐述小型电振动台实时混合试验原理,开发LabVIEW与MATLAB/Simulink联合仿真控制程序,并采用相应运动控制算法和Labview编程,实现对直线电机作动器的运动控制用户界面交互系统,控制小型电振动台完成从连接通信、回零、开始运动到结束程序等一系列操作。在此基础上搭建了基于NI CompactRIO嵌入式系统的实时混合试验硬件平台,包括FPS-TMD系统滑道与滑块、小型电振动台、KISLTER传感器、NI CompactRIO控制器及其剪力采集模块。将FPS-TMD系统从结构上分离出来作为试验子结构,Benchmark模型建筑结构主体作为数值子结构协同开展实时混合试验。采用速度闭环控制算法,按照数值子结构的速度指令控制电振动台运动,并在正式试验前对指令速度和电振动台运行速度进行追踪对比,保证试验结果的合理性。以10年、50年和100年重现期不同风荷载作用下,顶部带FPS-TMD系统的Benchmark模型建筑开展实时混合试验,与数值模拟对比分析FPS-TMD系统的控振效果。同时通过添加不同的附加质量块研究FPS-TMD滑块质量对风振控制效果的影响。综合研究表明,FPS-TMD系统对高层建筑的风振控制起到了明显的效果,且数值模拟与实时混合试验得到的控制效率接近,位移、速度和加速度时程曲线基本吻合,验证了本实时混合试验的有效性。本文以理论模拟和实时混合试验两种研究方法,综合研究FPS-TMD被动控制系统对高层建筑的风振控制效益,充分发挥FPS-TMD系统限位复位和耗能减振的性能。验证了基于NI CompactRIO系统的小型电振动台实时混合试验结果的合理性和准确性,有效降低了全尺试验的经济成本,探索了用于高层建筑风振控制研究的新思路。
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