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高耸结构是一种重要的结构形式,广泛应用于电视塔、输电塔、微波塔、烟囱等领域,对人民的生产和生活意义重大。风荷载是高耸结构的控制作用,高耸结构在台风和强热带风暴下的破坏时有发生,往往给社会生产和生活带来不可估量的损失。粘弹性阻尼器(Viscoelastic Dampers,简称VED)作为一种消能减振装置,它主要依靠粘弹性材料的滞回变形来耗能,减振效果良好,不需要外部能源,造价低廉,安装方便。利用粘弹性阻尼器对高耸结构进行风振控制是一种安全有效而又经济的方法,目前已得到了广泛的应用。
本文以马达加斯加烟囱塔架结构为工程背景,围绕高耸塔架结构的风速模拟、风压模拟、振动控制、阻尼器位置优化四个方面进行系统的研究,主要研究内容包括:
(1)研究空间脉动风场模拟方法,将模拟地震波的经典方法修正傅里叶谱法引入到风场模拟中,结合谐波合成法提出新的脉动风场模拟方法,并以一个大跨桥梁结构的风速模拟为例,检验修正傅里叶谱法的精度和效率。模拟结果表明,修正傅里叶谱法能够有效地模拟风场特性,风速时程的自功率谱和目标自功率谱几乎完全一样,互功率谱的精度略差,与谐波合成法相比,模拟精度和效率有较大的提高。
(2)应用数值风洞方法模拟结构表面的脉动风压,并将修正傅里叶谱法模拟的风速时程作为边界条件,对一个方形建筑的脉动风压进行模拟;提出直接应用数值风洞模拟的脉动风压作为结构的风激励;结果表明数值风洞方法模拟脉动风压能准确反映结构的风压分布特性,同时能保留风压的频谱特性,为结构的风振分析提供合理的风载激励。
(3)依据数值风洞方法模拟的风压为风载激励,对马达加斯加烟囱塔架结构的风振反应进行分析,使用粘弹性阻尼器对结构的风振反应进行控制,研究有效的高耸结构风振控制方法;粘弹性阻尼器控制烟囱塔架结构的风振反应可以达到良好的效果,结构在脉动风压作用下的位移反应得到了有效地控制,同时对速度和加速度反应也有一定的控制作用。
(4)采用有限单元法将马达加斯加烟囱结构离散为空间杆单元模型,利用数据处理软件Matlab编制基于时程分析法的有限元计算程序,对结构的风振反应进行时域分析;利用遗传算法对粘弹性阻尼器的位置进行优化,寻找阻尼器布置的最优位置,并将优化的结果与按随机方法布置的结果进行比较;计算结果表明遗传算法可以迅速地搜索粘弹性阻尼器的最佳布置位置,对振动控制起到有效的优化作用。
本文的创新点:
(1)将模拟地震波的经典方法修正傅里叶谱法引入到风场模拟中,结合谐波合成法提出新的脉动风场模拟方法,在模拟脉动风速方面具有很好的效果;
(2)在应用数值风洞模拟脉动风压的基础上,提出直接应用数值风洞模拟的脉动风压作为结构的风激励,并对脉动风压的功率谱特性进行检验。