摘要
随着我国经济和社会的快速发展，城市人口密度的增加，超高层建筑将会得到越来越广泛的应用，因此有必要对超高层建筑的合理结构形式和动力响应计算方法进行系统研究。
巨型框架减振结构是一种理想的超高层建筑结构形式，它是随着结构工程的发展和控制理论研究的深入，综合利用巨型框架特有的二级结构形式和结构控制的基本思想而提出的。
本文从理论推导、数值分析、优化仿真等方面对巨型框架减振结构进行了深入研究，并对结构形式进行了改进，提出了巨型框架复合减振结构体系。
本文采用了更接近实际的力学模型，主结构采用弯曲刚度，子结构采用剪切刚度，利用随机振动复模态理论，推导了巨型框架减振结构的动力响应表达式，并以日本东京市政一号楼为基本模型，讨论了巨型框架减振结构两种结构形式(座承式和悬挂式)的主要参数(刚度和阻尼)对减振效果的影响，结果表明：与普通巨型框架结构相比，减振结构通过合理选择子结构刚度，可以较好的控制主结构在顺风向脉动风作用下的位移响应，从而提高结构的安全性，但与此同时，子结构自身的加速度响应也有了一定程度的提高。基于这样一种情况，本文提出了巨型框架复合减振结构体系及其分步设计思想，概括为：首先寻求巨型框架减振结构的最优的子结构刚度，以使主结构的位移响应得到最优控制，然后在特定的子结构上附加安装调频质量阻尼器(TMD)，通过合理选取TMD的参数进而控制子结构的加速度响应，实现总体控制目标。本文利用等效最优理论(ECPM)对TMD的参数进行了优化，利用Simulink对复合结构进行了动态仿真，结果表明：附加安装在子结构上的TMD并不会对主结构的动态特性产生大的影响，复合结构和减振结构一样都可以较好的控制主结构位移响应，而且复合结构经优化后的TMD还较好的控制了子结构加速度响应，所以复合结构体系既可以提高结构的安全性，又可以满足舒适度的要求，从而证明了本文提出的巨型框架复合减振结构是一种理想的超高层建筑结构形式，其将具有广阔的发展前景。
The super tall building will get more and more extensive application with our national economy and society fast development and the increment of the population density of city, therefore, it is necessary to taking careful research on the reasonable structural form of super tall building and the method which could exactly calculate the dynamic respond of this system.
Mega-sub controlled frame is a kind of ideal super tall building structure configuration; it appears with the development of the structural engineering and the control theory, synthesizing the special form of Mega-sub frame which is made up of two classes frames and the basic thought of the control theory, engineers create the Mega-sub controlled frame.
This paper takes work on the theoretic deduction, numerical analysis, optimal parameter and numerical emulation to study the Mega-sub controlled frame. Using the conclusion, a reformative structural form is introduced; it is named the Multiple mega-sub controlled frame in this paper.
This paper uses of the actual mechanics form, cantilever bending stiffness is adopted in the mega structure, however shearing stiffness in the sub structure. Based on the complex mode theory, this paper gains the expression of dynamical response of the system based the model of municipal No.l building of Tokyo City and analyses the affection of the main parameters (stiffness and damping) on the two configurations (sustaining type and hang type). The results indicate that the rational stiffness of the sub structure can control the deformation of the mega structure perfectly, but the acceleration of the sub structure increases at the same time. Based on the phenomenon, this paper introduces the Multiple mega-sub controlled frame and its step design method, it can be generalized as the following approach: First, we look for the optimal stiffness of the sub structure to control the deformation of the mega structure under the wind load. Second, we optimize the parameters of the turned mass damper (TMD) which are installed in the sub structure to have the acceleration be controlled, and then we realize the overall objective. At last this paper uses the ECPM method to optimize the parameters of TMD and utilize Simulink to simulate the dynamical response. The results prove that the TMD don't change the characteristic of the mega structure but it could reduce the dynamical response of the sub structure observably. So the Multiple mega-sub controlled frame is a kind of ideal super tall building structure configuration, it will have the bright future.
引文
[1] 张相庭。工程结构风荷载理论和抗风设计手册。同济大学出版社，1990。
[2] 张相庭。高层建筑抗风抗震设计计算。同济大学出版社，1990。
[3] 董军、邓洪洲、刘学利。高层建筑脉动风荷载时程模拟的AR模型方法。南京建筑工程学院学报，2000，53(2)20—25。
[4] 张丹。随机风载作用下高耸结构的MTMD控制系统的研究。西北工业大学硕士研究生毕业论文，2000。
[5] 方同。工程随机振动。国防工业出版社，1995。
[6] 张相庭。结构风振与风压计算。同济大学出版社，1984。
[7] (日)下乡太郎。随机振动最优控制理论及应用。宇航出版社，1984。
[8] 王肇民。高耸结构振动控制。同济大学出版社，1996。
[9] 赵西安，徐陪福。高层建筑结构的选型、构造及简化计算。中国建筑工业出版社，1990
[10] 刘大海，杨翠如高层建筑结构方案优选。中国建筑工业出版社，1996。
[11] 周相荣，冯奇。桅杆在自然风中生命链研究 第一部分 时域内风荷载模型建立。噪声与振动控制，同济大学学报，1999．12(6)2—5。
[12] 周相荣，冯奇。桅杆在自然风中生命链研究 第二部分 桅杆保护系统(TMD)控制设计，同济大学学报，2000．2(2)2—7。
[13] 邓志恒，秦荣，谢肖礼。悬挂阻尼控制结构体系巨型框架地震响应分析。世界地震工程，2001．9(3)80—84。
[14] 蓝宗建，邹宏德，梁书亭，戴航。钢筋混凝土巨型框架多功能减振结构地震反应分析。建筑结构学报，2001．08(4)78—83。
[15] 董军，邓洪洲，聂颖，王肇民。巨型结构悬挂体系风振控制研究。工程力学，2001，08(4)73—80。
[16] 吴业森，罗明廉。随机振动。机械工业出版社，1989．6。
[17] 方同。振动理论及应用。西北工业大学出版社，2000．10。
[18] 梁启智，张耀华。巨型框架悬挂体系地震反应特性及阻尼控制研究。
华南理工大学学报，1999．1(1)106—110。
[19] 沈祖炎，陈荣毅。巨型结构的应用与发展。同济大学学报，2001．03(3) 258—262。
[20] 王肇民，邓洪洲，董军。高层巨型框架悬挂结构体系抗震性能研究。建筑结构学报，1999．02(1)23—30。
[21] 陈国平。粘性阻尼结构振动系统的实空间解耦和迭代求解。振动工程学报，2000．12(4)559—565。
[22] 周强，孙炳楠，唐锦春。大跨度桥梁风振响应的状态空间法分析。浙江大学学报，1995．11(6)666—673。
[23] 蓝宗建，杨东升，张敏。钢筋混凝土巨型框架结构弹性地震反应分析。东南大学学报，2002．09(5)724—727。
[24] 李俊，金咸定。动力吸振器的宽带数值优化设计。振动与冲击，2001．02 (2)16—18。
[25] 张耀华，梁启智，付赣清。巨型框架悬挂体系抗震原理及初步设计方法。工程力学，2000．04(2)10—17。
[26] 梁启智，张耀华。巨型框架悬挂体系动力系统及减震性能分析。华南理工大学学报。1998，10(10)1—6。
[27] 王子长，赵长安。应用最优控制理论。哈尔滨工业大学出版社，1989。
[28] 俞载道，曹国敖。随机振动理论及应用。同济大学出版社，1984。
[29] 蔡尚峰。随机振动理论。
[30] 施阳。Matlab语言精要及动态仿真工具Simulink。西北工业大学出版社，1998。
[31] 楼顺天，于卫。基于Matlab的系统分析与设计。西安电子科技大学出版社，1999。
[32] 韩利竹，王华。Matlab电子仿真与应用。国防工业出版社，2001。
[33] 张平。Matlab基础与应用简明教程。北京航空航天大学出版社，2001。
[34] 楼顺天，陈生谭，雷虎民。Matlab5.X程序设计语言。西安电子科技大学出版社，2002。
[35] 施阳，李俊。Matlab语言工具箱—Toolbox实用指南。西北工业大学
出版社，1998。
[36] 吴波，李惠。建筑结构被动控制的理论及应用。哈尔滨工业大学出版社，1998。
[37] 李春祥，刘艳霞。高层建筑7MD风振控制及优化设计。计算力学学报，2001．18(1)69—73。
[38] 崔艳丽。复合MTMD控制高耸结构风振研究。西北工业大学硕士学位论文，2003。
[39] 张洵安，姜节胜。电视塔脉动风载作用下的随机内力响应。西北工业大学学报，2000，(增刊)：179—182
[40] 张丹，张洵安。高层建筑M7MD风振控制优化研究。西北工业大学学报，2002，20(4)：672—676
[41] Winston Chai and Maria Q. Feng, Vibration control of super tall buildings subjected to wind loads. Int. J. Non-linear Mechanics.1997,32(4),657-668.
[42] Giuseppe Muscoline. Dynamic response of multiply connected primary-secondary systems. Earthquake engineering and structural dynamics, 1990(19)205-216.
[43] Maria Q. Feng, fkira Mita. Vibration control of tall buildings using mega subconfiguration. Journal of Engineering Mechanics, 1995,121(10): 1082-1087.
[44] Genda Chen, Member, Jingjing Wu. Transger-function-based criteria for decoupling of secondary systems. Journal of engineering mechanics, 1999,03(3)339-346.
[45] An Lin, Ding Dajun. A study on the P-TMD control for seismic and wind vibration of Najing TV tower. Journal of structural engineering,2000(26)283-287.
[46] M.D. Rowbottom. The optimization of mechanical dampers to control self-excited galloping oscillation. Journal of sound vibration, 1998(75)559-576.
[47] Lan Zongjian, Wang Xinde. Multifunctional vibration-absorption RC structures and their seismic response. Earthquake engineering and structural dynamics, 2000(29) 1239-1248.
[48] T. Igusa ,K. Xu.. Vibration control using multiple tuned mass dampers. Sound and vibration, 1994(4)491-503.
[49] Warburton G. B. Optimum absorber parameters for various combinations of response and excitation parameters. Earthquake engineering and structural dynamics,1982(10)381-401。
[50] Ahsan Kareen, Modelling of base-isolated buildings with passive dampers under winds, Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 1997(72)307-317.
[51] K Iwanmi and K Seto, Optimal design of dual tuned mass dampers and their effectiveness, Proc. JSME(C), 1984(50)44-52.