附加惯容器的文物隔震系统性能研究

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馆藏文物通常浮置于展台或基座上,当遭受较大地震作用时可能因滑移、摇摆甚至倾覆而发生损坏,从而造成无法挽回的文化和经济损失。随着社会和经济的发展,文物防震保护受到了广泛关注。其中,新型减隔震技术成为了文物防震的研究热点。传统的文物隔震装置可有效控制浮置文物的动力响应,但文物隔震中可能出现的较大隔震装置变形容易导致展台位移超过限值从而发生破坏。而惯容系统作为具有质量增效和阻尼增效作用的新型减震装置,非常适合用于解决上述问题。本文提出将TVMD惯容系统应用于传统浮置文物隔震装置,建立TVMD-隔震混合控制系统,通过数值分析研究其在楼层波作用下的减震效果和参数优化问题。论文的主要工作及成果如下:(1)根据浮置文物的运动特点,将文物隔震系统分为相对静止、滑移和摇摆三种运动状态,分别建立了不同运动状态下的动力方程和运动产生条件,并采用四阶Runge-Kutta法对各运动状态的动力响应进行求解。计算结果显示,在隔震系统中浮置文物的位移响应得到了有效控制,但同时也造成了系统的位移集中于下部展台;隔震系统的动力响应同时受到隔震装置的力学性能和文物自身特性的影响。(2)为了定量描述博物馆不同楼层的文物所受到的外部激励,利用ETABS软件建立了博物馆有限元模型。按照场地条件选取5条地震波,通过时程分析研究了不同楼层加速度放大系数的分布规律和楼层反应谱特性。结果表明,文物所受楼层激励与地震波差异较大,楼层加速度放大系数随着楼层数的增加基本呈现线性递增的规律;博物馆楼层反应谱是地震波与主结构共同作用的结果,同时反映二者的特性。(3)以附加TVMD系统的单自由度结构为例,分析了惯容系统的减震控制原理。将文物隔震系统与TVMD系统结合组成混合控制系统,通过数值分析研究了该混合系统在楼层波作用下的动力响应和惯容系统各项参数对其减震效果的影响。结果表明,该混合控制系统能够在提高文物响应控制效果的同时,大大减小下部展台的位移响应。(4)针对混合控制系统的动力特性,采用NSGA-II遗传算法对该系统进行参数优化设计。结果表明,所提出的优化设计方法在不同楼层下均能实现对系统位移响应的有效控制,且收敛性较好。该混合控制系统的减震效果对阻尼和刚度参数较为敏感,当发生参数扰动时,减震比变化较大。
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