CN110823537B - 一种超高层建筑风振控制阻尼器性能的检测评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构振动控制技术领域，涉及一种超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，包括：步骤1、对安装有TLD的超高层建筑进行现场实测，通过测量系统进行实时测量与数据采集工作，得到多源耦合响应信号；步骤2、对测量系统测得的多源耦合响应信号进行解耦，进而得到解耦后的模态响应信号；步骤3、在模态坐标下，对解耦后的模态响应信号进行参数识别，得到结构‑TLD系统对应的固有频率和模态阻尼比；步骤4、利用参数识别结果还原得到原结构和TLD参数；步骤5、根据还原得到的原结构和TLD参数进行TLD性能评价。本发明实现了对TLD性能的动态检测评价，是一种更为有效、准确的超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法。

Description

一种超高层建筑风振控制阻尼器性能的检测评价方法

技术领域

本发明属于结构振动控制技术领域，涉及一种超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法。

背景技术

对于超高层建筑，强风作用下的风致荷载和响应通常是影响结构安全性和居住者舒适性的控制性因素。超高层建筑风振控制常采用基于动力减振器(DVA)的阻尼器方法，在建筑的适当位置增加阻尼器，以增加结构的等效阻尼来达到减缓结构振动的目的。阻尼器通常包括两类，即调谐质量阻尼器(TMD、包括主动和被动方法)和调谐液体阻尼器(TLD)。其中，TLD是一种构造相对简单、造价低的阻尼器，尤其是还可兼做消防水箱，本发明内容将只讨论TLD的相关情况。

在工程实践中，实际超高层建筑的结构动力特性与设计时的有限元分析结果会存在差异，同时TLD的实际动力特性与原设计相比也会存在一定的变化。此外，由于存在风与结构的相互耦合作用，在较强(台)风作用下，实际超高层建筑结构的固有频率和模态阻尼比会随着风速和响应强度的变化而变化。这些差异都会导致TLD失谐以及阻尼参数没有实现最优设置，从而使得TLD难以达到理想的控制效果。因此，需要对安装在超高层建筑中的TLD系统性能进行检测评价。由于风荷载的不确定性和不可重复性，以及受控建筑模态参数的时变特性，使得准确评价安装在建筑物中TLD的系统性能极具挑战性。

TLD性能的已有评价方法主要有：1)采用动态测试技术和随机减量法对有TLD和无TLD两种结构的阻尼比进行计算，对同样风速风向情况下有、无TLD的结构响应的测量结果进行对比分析来说明TLD的有效性。2)采用能量比方法，通过对建筑物和TLD在强风过程的响应进行监测，利用建筑物响应、TLD响应以及结构-TLD质量比直接计算附加有效阻尼来评价TLD的性能。

以上方法中，方法1)需要分别测量安装TLD前后结构的响应情况，但“同样风速风向情况下”几乎很难满足；方法2)采用基于能量比确定附加有效阻尼来评价TLD性能，本质是一种简化方法，只能得到TLD的减振效果，无法准确获取并判断整个结构-TLD系统的特征状态(模态频率、阻尼比的变化情况)并对系统的减振性能做出准确的评价，同时也会影响进一步对TLD系统参数调整的决策。

发明内容

针对已有方法仅用有效附加阻尼来评价TLD性能，且忽略了受控建筑结构动力特性具有时变性这一特征，使得已有方法具有不能全面准确检测评价TLD减振性能的不足，本发明提供一种超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法。

本发明采用如下技术方案实现：

一种超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，包括：

步骤1、对安装有TLD的超高层建筑进行现场实测，通过测量系统进行实时测量与数据采集工作，得到多源耦合响应信号；

步骤2、对测量系统测得的多源耦合响应信号进行解耦，进而得到解耦后的模态响应信号；

步骤3、在模态坐标下，对解耦后的模态响应信号进行参数识别，得到结构-TLD系统对应的固有频率和模态阻尼比；

步骤4、利用参数识别结果还原得到原结构和TLD参数；

步骤5、根据还原得到的原结构和TLD参数进行TLD性能评价。

进一步地，步骤4包括：根据结构-TLD系统的一、二阶频率、阻尼比、结构与TLD的设计质量比μ，经参数逆推得到结构固有频率f_s、结构阻尼比ζ_s、TLD频率f_t和TLD阻尼比ζ_t。

优选地，步骤4包括：

步骤4-1、构建结构-TLD系统状态空间理论模型，得到结构-TLD系统状态矩阵A；

步骤4-2、利用已识别的结构-TLD系统复振型矩阵与固有频率，重构结构-TLD系统实际状态矩阵A′；

步骤4-3、根据A与A′，分别确定结构与TLD的固有频率和模态阻尼比。

优选地，结构-TLD系统状态矩阵A表示为：

式中，μ为TLD参数质量比；ω_i、ζ_i分别为结构第i阶圆频率、结构第i阶阻尼比；ω_t、ζ_t分别为TLD圆频率、TLD阻尼比；β为质量参与系数。

优选地，结构-TLD系统实际状态矩阵A′表示为：

式中，Φ为结构-TLD系统复振型矩阵；*为共轭符号；Λ为结构-TLD系统非共轭特征值对角矩阵。

进一步地，步骤5中TLD性能评价包括两个阶段的TLD性能评价：第一阶段为超高层建筑施工完毕正式投入使用之前的阶段；第二阶段为超高层建筑正常使用阶段。

优选地，当建筑处于第一阶段，TLD性能评价过程包括：根据步骤4分别得到结构固有频率f_s与阻尼比ζ_s，TLD的频率f_t与阻尼比ζ_t，比较f_s与f_t值，若相差较大，则在TLD正式投入使用之前进行重新调谐工作；同时比较ζ_t与TLD阻尼比设计值，评估TLD能够为结构增加的附加阻尼值。

优选地，当建筑处于第二阶段，TLD性能评价过程包括：服务器在线接收经互联网传输而来的动态采集数据，同时对数据进行在线批处理，得到结构固有频率f_s与阻尼比ζ_s，以及TLD频率f_t与阻尼比ζ_t的动态信息；通过比较f_s与f_t值的偏差程度以及f_t的大小变化情况，动态评价TLD系统的控制效果。

优选地，步骤2包括：

步骤2-1、对测量得到的结构响应、TLD响应数据进行前处理，构建相应复信号；

步骤2-2、对复信号进行白化，得到白化后信号

步骤2-3、采用信号分离解耦技术求得结构-TLD系统的复振型矩阵

以及相应的复分离矩阵

步骤2-4、由复分离矩阵

计算得到结构-TLD系统解耦后的各阶模态响应信号

优选地，步骤3包括：

步骤3-1、构造气动力功率谱密度函数

步骤3-2、计算结构-TLD系统模态响应y(t)功率谱密度S_y,N(f_k)的期望；

步骤3-3、计算功率谱密度S_y,N(f_k)的概率密度函数；

步骤3-4、计算结构-TLD系统模态参数的后验概率密度函数；

步骤3-5、计算结构-TLD系统模态参数最优解，得到结构-TLD系统的前两阶频率和阻尼比；

步骤3-6、评估识别参数、减振性能的不确定性。

与现有方法相比，本发明包括如下优点：

(1)本发明首先构建集结构加速度、TLD液面高度以及风速测量等功能的测量系统，再对测量得到的结构-TLD系统多源耦合响应信号进行解耦，进而得到结构的模态响应信号，在此基础上对分离后的模态响应信号进行准确参数识别，最后根据参数识别结果反推，对TLD的控制性能进行评价，克服了现有方法的不足，实现了对TLD性能的动态检测评价，为进一步实施TLD的调谐工作，使其达到最佳控制效果提供数据支持，是一种更为有效、准确的超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法。

(2)不需要对安装TLD前的结构响应进行测量，采用一次强风测量结果就可进行对系统减振性能的评价；

(3)具有普适性，可用于信号耦合和非耦合的情况，并引入了复模态理论，自适应比例阻尼和非比例阻尼，解耦效果可靠、有效；

(4)将模态响应信号进行可靠的参数识别，不仅考虑了有色噪声的影响，还对识别参数、减振性能进行了不确定性评估；

(5)可动态获得结构-TLD系统固有频率、模态阻尼比等信息，进而对阻尼器性能进行动态评价，为阻尼器实施反馈调谐控制提供决策依据。

附图说明

图1为本发明一个实施例中超高层建筑风振控制阻尼器性能的检测评价方法的示意图；

图2为本发明一个实施例中顶部安装有TLD的建筑结构系统及测量系统示意图；

图3为本发明一个实施例中多源耦合响应信号解耦的流程图；

图4为本发明一个实施例中对分离后的模态响应信号进行固有频率和模态阻尼比识别的流程图；

图5为本发明一个实施例中利用参数识别结果还原得到原结构和TLD参数的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细地描述，但本发明的实施方式并不限于此。

一种超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，如图1所示，包括：

步骤1：对安装有TLD的超高层建筑进行现场实测，通过测量系统进行实时测量与数据采集工作，得到多源耦合响应信号。

如图2所示，具体包括：

步骤1-1：在设置有TLD的超高层建筑中安装加速度测量仪，在楼顶安装风速仪，在TLD内部安装波高计；

步骤1-2：对超高层建筑实施不间断的同步实时测量与数据采集工作；

步骤1-3：通过互联网将测量数据同步传输至中心服务器，中心服务器对传回信号进行实时分析处理。

本实施例中，测量数据包括：结构响应、TLD响应和风速时程数据。

步骤2：对测量系统测得的多源耦合响应信号进行解耦，进而得到解耦后的模态响应信号；

如图3所示，具体包括：

步骤2-1：对测量得到的结构响应、TLD响应数据进行前处理，构建相应复信号；

步骤2-2：对复信号进行白化，得到白化后信号

步骤2-3：采用信号分离解耦技术求得结构-TLD系统的复振型矩阵

以及相应的复分离矩阵

步骤2-4：由复分离矩阵

计算得到结构-TLD系统解耦后的各阶模态响应信号

首先进行信号前处理工作，将测量系统测得的实信号复数化，得到测量信号x(t)的解析信号为：

将式(1)对应的复模态响应、复振型同样采用解析信号的形式表示：

式中：x(t)、q(t)和Φ_r分别为测量系统所测得的观测信号(包括结构响应、TLD响应以及风速时程数据)、解耦后的模态响应信号和结构-TLD系统振型矩阵。x₉₀(t)、q₉₀(t)分别由x(t)、q(t)经Hilbert变换获得，并采用镜像法消除边界效应；i表示虚数单位；Φ_r、Φ_i分别为振型的实部和虚部。

进而得到复值的模态叠加公式为：

然后对复数化后的观测信号

进行白化。具体步骤为先求得观测信号

的协方差矩阵，并对该矩阵进行特征值分解，由此得到白化矩阵W，进而对观测信号

进行白化，得到白化后信号

接着采用信号分离解耦技术对白化后信号进行解耦，先计算

的延时相关矩阵R_z(τ)，并采用联合对角化的方法对其进行逼近，进而求得结构-TLD系统的复振型矩阵

与复分离矩阵

最后得到解耦的模态响应信号

步骤3：在模态坐标下，对解耦后的模态响应信号进行参数识别，得到结构-TLD系统对应的固有频率和模态阻尼比；

如图4所示，具体步骤包括：

步骤3-1：构造气动力功率谱密度函数

步骤3-2：计算需参数识别的结构-TLD系统模态响应y(t)功率谱密度S_y,N(f_k)的期望；

步骤3-3：计算S_y,N(f_k)的概率密度函数；

步骤3-4：计算结构-TLD系统模态参数的后验概率密度函数；

步骤3-5：计算结构-TLD系统模态参数最优解，得到结构-TLD系统的前两阶频率f₁、f₂，阻尼比ζ₁、ζ₂；

步骤3-6：评估识别参数、减振性能的不确定性。

具体地，在得到解耦的模态响应信号

后，对结构-TLD系统的固有频率和模态阻尼比进行识别。所采用的参数识别方法不仅适用于白噪声激励，还适用于有色噪声激励的情况，而风荷载即属于有色噪声，其假设气动力功率谱密度满足：

式中，S₀为气动力在固有频率处的功率谱密度值，β为荷载幂指数，f_0,j为结构-TLD系统第j阶自振频率。

设所需参数识别的结构-TLD系统模态响应为：

式中，

为解耦后的结构-TLD系统第j阶模态响应；η(t)为测量噪声和模型误差等造成的实际响应和测量系统所获得响应间的预测误差。

计算y(t)功率谱密度S_y,N(f_k)的期望：

式中，S_η为η(t)的功率谱密度分布；f_k＝kΔf，k＝0,1,…,int(N/2)，int表示取实数的整数部分，

T为采样时间；θ为需要识别的结构-TLD系统模态参数，包括系统自振频率和阻尼比等参数值；

为模态响应信号的功率谱密度；N为采样总数。

当N足够大时，

根据随机振动理论，可得结构-TLD系统模态响应的功率谱密度为：

对于平稳过程，在特定的频率区间段，S_y,N(f_k)的概率密度函数p(S_y,N(f_k)|θ)近似为Chi-square分布。根据贝叶斯定理，计算结构-TLD系统模态参数的后验概率密度函数为：

其中，k_1≠k₂，b为一个正则化常数，p(θ)为先验概率密度函数，两者在计算中通常被视为常数。

为[f_k1,f_k2]频率区间段内结构-TLD系统模态响应的功率谱密度。

通过求解函数

的最小值来确定系统模态参数最优解，进而得到结构-TLD系统的前两阶频率f₁、f₂(即一、二阶频率f₁、f₂)和阻尼比ζ₁、ζ₂。

最后通过后验变异系数cov(coefficient of variation＝标准差/MPV)来评估识别参数、减振性能的不确定性。

步骤4：利用参数识别结果还原得到原结构和TLD参数；

根据结构-TLD系统的一、二阶频率及阻尼比，并已知结构与TLD的设计质量比μ，经参数逆推分别得到结构固有频率f_s、结构阻尼比ζ_s，TLD频率f_t、TLD阻尼比ζ_t。如图5所示，具体步骤包括：

步骤4-1：构建结构-TLD系统状态空间理论模型，得到结构-TLD系统状态矩阵A；

步骤4-2：利用已识别的结构-TLD系统复振型矩阵与固有频率，重构结构-TLD系统实际状态矩阵A′；

步骤4-3：根据A与A′，分别确定结构与TLD固有频率和模态阻尼比；

首先构建结构-TLD系统状态空间理论模型，N自由度线性结构-TLD系统运动方程为：

式中，M_s、C_s和K_s分别为结构质量、阻尼和刚度矩阵；m_t、k_t和c_t为TLD等效质量、刚度和阻尼；β为质量参与系数；假设TLD与结构第n个自由度耦合，则X、x_n和u_t分别为结构位移向量、结构第n个自由度位移、TLD位移；H为TLD位置向量；F为外荷载向量。

为结构加速度向量，

为结构速度向量，

为结构第n个自由度加速度，

为TLD加速度，

为TLD速度。

将结构-TLD系统运动方程坐标变换为由模态坐标向量表示的形式，并利用振型正交性，式(11)可转化为：

式中，i为被控模态阶次；q_i为第i阶模态坐标；

为第i阶模态加速度；

为第i阶模态速度；m_i为结构第i阶模态质量；m_t为TLD等效质量；

为结构第n个自由度的第i阶振型；ω_i、ζ_i分别为结构第i阶圆频率、阻尼比；

为结构第i阶振型的转置；F为外荷载向量；ω_t、ζ_t分别为TLD圆频率、阻尼比；

为TLD加速度；

为TLD速度；u_t为TLD位移；β为质量参与系数；

为结构第n个自由度加速度。

接着对模态振型进行规格化，并假设

即结构第n个自由度位置的位移仅有第i阶模态参与，于是式(12)可写为：

式(13)为被控结构第i阶模态与TLD耦合的振动系统，其状态空间方程可表示为：

式中，

A为结构-TLD系统状态矩阵；B为系统输入矩阵。其中，A可表示为：

式中，

TLD通常安装在所控模态振型位移最大位置处，即

故μ实则为TLD参数质量比，在TLD设计时已确定，为已知量。

然后利用步骤2中识别的结构-TLD系统复振型矩阵以及步骤3中得到的结构-TLD系统固有频率、模态阻尼比，重构结构-TLD系统实际状态矩阵A′为：

式中，Φ为结构-TLD系统复振型矩阵；*为共轭符号；Λ为结构-TLD系统非共轭特征值对角矩阵，Λ＝diag(λ_e)，e＝1、2，其中λ_e可表示为：

式中，ω＝2πf，i表示虚数单位。

结构-TLD系统识别评估的实际状态矩阵A′与结构-TLD系统理论模型的状态矩阵A应近似相等。

因此，根据式(15)、式(16)可得结构圆频率ω_s、TLD圆频率ω_t，结构阻尼比ζ_s、TLD阻尼比ζ_t分别为：

式中，A_gh为A′矩阵第g行、第h列的数值；β为质量参与系数；μ为TLD参数质量比；ω_i、ζ_i分别为结构第i阶圆频率、阻尼比。

一般TLD控制结构一阶振型，此时所求得的ω_i即为结构固有圆频率ω_s，ζ_i即为结构模态阻尼比ζ_s。

最后由f＝ω/2π，进而得到结构固有频率f_s，TLD频率f_t。

步骤5：根据还原得到的原结构和TLD参数进行TLD性能评价。

在此，TLD性能评价需要包括对两个阶段进行TLD性能评价，第一阶段为超高层建筑施工完毕正式投入使用之前的阶段，第二阶段为超高层建筑正常使用阶段。

当建筑处于第一阶段，根据步骤4分别得到结构固有频率f_s与阻尼比ζ_s，TLD的频率f_t与阻尼比ζ_t，比较f_s与f_t值，若相差较大，需要在TLD正式投入使用之前进行重新调谐工作。同时比较ζ_t与TLD阻尼比设计值，以评估TLD能够为结构增加的附加阻尼值。

当建筑处于第二阶段，服务器将在线接收经互联网传输而来的动态采集数据，同时对数据进行在线批处理，得到结构固有频率f_s与阻尼比ζ_s，以及TLD频率f_t与阻尼比ζ_t的动态信息。通过比较f_s与f_t值的偏差程度，以及f_t的大小变化情况，来动态评价TLD系统的控制效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，其特征在于，包括：

步骤1、对安装有TLD的超高层建筑进行现场实测，通过测量系统进行实时测量与数据采集工作，得到多源耦合响应信号；

步骤2、对测量系统测得的多源耦合响应信号进行解耦，进而得到解耦后的模态响应信号；

步骤3、在模态坐标下，对解耦后的模态响应信号进行参数识别，得到结构-TLD系统对应的固有频率和模态阻尼比；

步骤4、利用参数识别结果还原得到原结构和TLD参数；

步骤5、根据还原得到的原结构和TLD参数进行TLD性能评价。

2.根据权利要求1所述的超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，其特征在于，步骤4包括：根据结构-TLD系统的一、二阶频率、阻尼比、结构与TLD的设计质量比μ，经参数逆推得到结构固有频率f_s、结构阻尼比ζ_s、TLD频率f_t和TLD阻尼比ζ_t。

3.根据权利要求1或2所述的超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，其特征在于，步骤4包括：

步骤4-1、构建结构-TLD系统状态空间理论模型，得到结构-TLD系统状态矩阵A；

步骤4-2、利用已识别的结构-TLD系统复振型矩阵与固有频率，重构结构-TLD系统实际状态矩阵A′；

步骤4-3、根据A与A′，分别确定结构与TLD的固有频率和模态阻尼比。

4.根据权利要求3所述的超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，其特征在于，结构-TLD系统状态矩阵A表示为：

式中，μ为TLD参数质量比；ω_i、ζ_i分别为结构第i阶圆频率、结构第i阶阻尼比；ω_t、ζ_t分别为TLD圆频率、TLD阻尼比；β为质量参与系数。

5.根据权利要求3所述的超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，其特征在于，结构-TLD系统实际状态矩阵A′表示为：

式中，Φ为结构-TLD系统复振型矩阵；*为共轭符号；Λ为结构-TLD系统非共轭特征值对角矩阵。

6.根据权利要求2所述的超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，其特征在于，步骤5中TLD性能评价包括两个阶段的TLD性能评价：第一阶段为超高层建筑施工完毕正式投入使用之前的阶段；第二阶段为超高层建筑正常使用阶段。

7.根据权利要求6所述的超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，其特征在于，当建筑处于第一阶段，TLD性能评价过程包括：根据步骤4分别得到结构固有频率f_s与阻尼比ζ_s，TLD的频率f_t与阻尼比ζ_t，比较f_s与f_t值，若相差较大，则在TLD正式投入使用之前进行重新调谐工作；同时比较ζ_t与TLD阻尼比设计值，评估TLD能够为结构增加的附加阻尼值。

8.根据权利要求6所述的超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，其特征在于，当建筑处于第二阶段，TLD性能评价过程包括：服务器在线接收经互联网传输而来的动态采集数据，同时对数据进行在线批处理，得到结构固有频率f_s与阻尼比ζ_s，以及TLD频率f_t与阻尼比ζ_t的动态信息；通过比较f_s与f_t值的偏差程度以及f_t的大小变化情况，动态评价TLD系统的控制效果。

9.根据权利要求1所述的超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，其特征在于，步骤2包括：

步骤2-1、对测量得到的结构响应、TLD响应数据进行前处理，构建相应复信号；

步骤2-2、对复信号进行白化，得到白化后信号

步骤2-3、采用信号分离解耦技术求得结构-TLD系统的复振型矩阵

以及相应的复分离矩阵

步骤2-4、由复分离矩阵

计算得到结构-TLD系统解耦后的各阶模态响应信号

10.根据权利要求1所述的超高层建筑风振控制阻尼器性能检测评价方法，其特征在于，步骤3包括：

步骤3-1、构造气动力功率谱密度函数

步骤3-2、计算结构-TLD系统模态响应y(t)功率谱密度S_y,N(f_k)的期望，其中：f_k＝kΔf，k＝0,1,…,int(N/2)，int表示取实数的整数部分，

T为采样时间；N为采样总数；

步骤3-3、计算功率谱密度S_y,N(f_k)的概率密度函数；

步骤3-4、计算结构-TLD系统模态参数的后验概率密度函数；

步骤3-5、计算结构-TLD系统模态参数最优解，得到结构-TLD系统的前两阶频率和阻尼比；

步骤3-6、评估识别参数、减振性能的不确定性。

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