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顶部带FPS-TMD系统的高耸结构风振控制效益分析
摘要
本文基于FPS-TMD系统结合高耸结构的风振控制效益进行了分析。首先介绍了高耸结构在风振领域中的独特性，然后阐述FPS-TMD系统的原理以及优点，并且探讨了两者结合的优点。接下来利用有限元软件ABAQUS对一个通信塔进行模拟，进行了FPS-TMD系统的优化设计。最后通过与未加装FPS-TMD系统的通信塔进行对比，验证了FPS-TMD系统的高效性。
关键词:FPS-TMD系统，高耸结构，风振控制，优化设计
Abstract
Thispaperanalyzesthewind-inducedvibrationcontrolbenefitsofcombiningtheFPS-TMDsystemwithtallstructures.Firstly,theuniquecharacteristicsoftallstructuresinthefieldofwind-inducedvibrationareintroduced,thentheprincipleandadvantagesoftheFPS-TMDsystemareelaborated,andtheadvantagesofcombiningthetwoarediscussed.Next,thefiniteelementsoftwareABAQUSisusedtosimulateacommunicationtowerandoptimizethedesignoftheFPS-TMDsystem.Finally,comparedwiththecommunicationtowerwithouttheFPS-TMDsystem,thehighefficiencyoftheFPS-TMDsystemisvalidated.
Keywords:FPS-TMDsystem,tallstructures,wind-inducedvibrationcontrol,optimizationdesign
1.引言
高耸结构在现代城市建设中起着重要作用，如高层建筑、电视塔、桥梁、车站、机场等。这些结构超过了一定高度，常年受到自然环境力的影响，其中风振是一大挑战。风振会导致结构的疲劳和振动加剧，严重影响结构的稳定性和安全性。解决高耸结构的风振问题，是现代城市建筑的一个热点和难点问题。
目前，解决高耸结构风振问题的主要控制手段有被动控制和主动控制两大类。其中，被动控制主要是通过质量阻尼器（MassDamper，MD）和液体阻尼器（LiquidDamper，LD）等控制装置，减小结构振动幅值。但是，被动控制不能适应不同的环境（各种风速和风向）和结构振动状态。而主动控制则是通过电机等装置控制结构振动，其效果更好且更具灵活性。但是，对于高耸结构而言，使用主动控制手段需要耗费更高的成本和更复杂的技术。
为此，FPS-TMD系统被提出，其将被动组件的质量阻尼器和主动组件的电动机振动器相结合，融合了两种控制的优点，既能够适应不同的环境和结构振动状态，还能够在成本和可行性方面获得更好的平衡。本文将结合FPS-TMD系统和高耸结构，对风振控制效益进行深入探讨。
2.FPS-TMD系统原理和优点
2.1FPS-TMD系统原理
FPS-TMD系统由质量块、弹簧、阻尼器和智能电动机振动器等组成。其中，质量块作为被动臂，将质量尽可能地聚集在结构的高处，并将柔性支承的方式应用于质量块，保证了质量块的低自振频率。阻尼器通过转化结构的能量耗散来控制结构振动，需要根据结构振动状态和环境变化进行相应的调整。并且，在弹性力学、流体力学和控制系统等方面加入了智能控制器，从而实现了结构设计和控制的有效融合。
2.2FPS-TMD系统优点
与传统被动控制相比，FPS-TMD系统具有以下优点：
（1）FPS-TMD系统能够对不同的结构振动状态进行适应和调整。
（2）FPS-TMD系统的智能控制器能够实现不同的控制策略，并能够自动调节参数，从而获得最佳控制性能。
（3）FPS-TMD系统的成本低、易于安装和维护，并且可以在不影响结构外观的情况下进行安装。
（4）FPS-TMD系统的使用经验丰富，并且已经在实际工程中得到了验证。
3.高耸结构的特点与FPS-TMD系统的适用性分析
3.1高耸结构的特点
高耸结构由于杆体的柔性和重量集中在顶部，常年处于风场中，并且其固有频率与风激振动频率非常接近，因此易于受到风振的影响。在风振领域，剧烈的风激振动将造成高墩塔、桥型结构、烟囱和高层建筑等高耸结构遭受破坏或失效的严重后果。
3.2FPS-TMD系统的适用性
FPS-TMD系统能够适应高耸结构的振型和环境的影响，其能够实现结构的精确控制，从而减小不同环境和结构状态下的振幅。
4.模型与仿真
为了验证FPS-TMD