大连国贸大厦高层水箱减振控制研究及应用-硕士论文

大连理工大学 硕士学位论文 大连国贸大厦高层水箱减振控制研究及应用 姓名：井秦阳 申请学位级别：硕士 专业：防灾减灾工程及防护工程 指导教师：李宏男 20050601 大连理_ 【大学硕十学位论文 摘要 大连圈贸大厦总高度3 3 9 m ，建成后将是我国长江以北最高的超高层现代化建筑，也 足我田设汁和科研人员自行设计的笫一座这样高的建筑。计算表明，其在强风下怕顶层 位移和加速度值均卜分接近我困建筑荷载规范的极限值，为了减小顶层位移值，提高该 建筑物上部的舒遁度，决定采用简单、易行，维护赞用低的调谐液体阻尼器( T L D ) 对大厦 进行风振控制，以驯达到理想的使用水平。 鉴于此，本文丌展了以下研究工作： 针刈国贸大厦三维有限元模型计算风荷：我作用下动力响应存在计算时问超长、耗用 硬f I = 空州巨大的问题，又于从结构的整体布局来看，平面两个方向刚度棚差较大( 大于 2 ) ，按照横向( 弱向) 进行单一方向的控制反应分析是可行的原则，本文将沿陔结构弱向 方向简化为符合其动力特性的竖m 串联多自由度体系，其中质量矩阵采用E T A B S 集成的 等效层质量矩阵，刚度矩阵采用等效刚度参数识别法识别出等效刚度矩阵，阻尼矩阵采 用瑞利阻尼，并对简化模型进行了动力特性分析。分析表明，在结构该方向上采用简化 模型米代替有限元彼型是可行，这样大大缩短了计；车旧闽。 采用基于三角级数叠加的谐波合成法对：蜒连困贸大厦进行脉动风荷载模拟，为了加 快计算速度采用了快速傅立时变换( F F ，f ) 技术。为了验证该方法可行，在当地mZ D R l F 型智能风速风向记录仪进行了氏时问的) ( 1 速测量，获得了多个样本，选用其中风速较大、 过程较平稳的样本与模拟出的风荷载样本进行比对。比较结采表明，使用该方法模拟出 的风荷载是合理的，可以作为国贸大厦风模型用于计算。 花渊谐液体阻地器，j ) 的设计t l 考虑可利册大疑顼层放订，上活、消防水聋仃的空鲥， 提出了两套设计方案：是直接将生活、消防等深水水箱改造成调谐液体阻尼器( T L D ) ： 一足波卧钳1 用于减振的浅水水箱州谐液体m 足器盯L b ) ，两种设计方祭 j * 能达到减小风 振响应的刚内，但减振效果存在差异，后哲减振效果优于时老，可前哲山具有实际操作 更方便、更经济等优势。因此，综合各方面因素，本文提出了两套方案以供实际工程巾 根据实际情况进行选择。 但是，在本次设汁中，减振效果更好、更具推广n 景的浅水水铺设计方案计算稍显 烦琐。未来的研究中，如果能提出符合风荷载作用下结构一浅水水箱相互作用的易于计 贸：的询化模型，棚信本身极具优势的浅水水箱T L D 的应用河最会更加广阔。此外，本文 的T L D 设计步骤，可供类似高层建筑进行T L D 减小风振控制分析和设计时参考。 关键词：振动控制；高层建筑：调谐液体阻尼器( T L D ) ：风荷载模拟；模型赖化 大连国贸大厦商层水箱减振控制研究与应瑚 W i n d I n d u c e dV i b r a t i o nC o n 仃D lo f D a l l a nI n t e r n a t i o n a lT r a d e C e n t e r U s i n g T u n e d L i q u i dD a m p e r s A b s t r a c t D a l i a nh a t e m a f i o n a lT r a d eC e n t e r ，3 3 9 mi nh e i 曲Lw i l lb eo n eo f t h eh i g h e s tt a l lb u i l d i n g s i nC h i n am a dt h ef i r s to n et o t a l l yd e s i g n e db ya r c h i t e c t sa n dr e s e a r c h e r so fo u rc o u n t r y ，T h e c a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h ed i s p l a c e m e n ta n da c c e l e r a t i o no n t h e t o p o f t h e b u i l d i n gc a u s e df r o m s t r o n gw i n da r ev e r yc l o s et ot i ml i m i to fc o m f o r t a b l e n e s s T or e d u c et h ed i s p l a c e m e n ta n d e n l m n c et h ec o m f o r t a b l e n e s so ft h eb u i l d i n g ，t u n e dl i q u i dd a m p e r ( T L D ) t h a ti s s i m p l e ， c o n v e n i e n ta n dc h e a p ，i su s e dt oc o n t r o lw i n d i n d u c e dv i b r a t i o no f t h eb u i l d i n ga n d i m p r o v e i t s u t i l i t y T h e r e f o r e ，t h et h e s i sd e v e l o p sf o l l o w i n gi n v e s t i g a t i o n ： F i r s t “ t h es i m p l i f i e dm o d e lo f t h es t r u c t u r ew a se S t a b l i s h e d I tc a r la v o i dt h el o n gc a l c u l a t e d t i m ea n ds a v et h es p a c eo fh a r dd i s k ，S Oi tr e p l a c e st h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l B ya n a l y z i n g d y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h es i m p l i f i e dm o d e l ，i tp r o v e st h a tt h er e p l a c e m e n ti sr e a s o n a b l e m a da d v a n c e sW O r ke f f i c i e n c y S e c o n d t h eW i n dl o a do f t h eb u i l d i n gi ss i m u l a t e db yD a v e n p o r tw i n dm o d e la c c o r d i n g t o t h ee n g i n e e r i n gc o n d i t i o n s T os a v ec a l c u l a t e dt i m e ，f a s tF o u r i e rt r a n s f o r m ( F F T ) i si n t r o d u c e d f o rt h es i m u l a t i o n T h ea c t u a ls a m p l e so fw i n ds p e e dw e r eo b t a i n e da tt h ep o s i t i o no ft h e b u i l d i n g 耵l ef r e q u e n c ys p e c t r u mo fs i m u l a t e dw i n dl o a d W a sc o m p a r e dw i t ht h eo n eo f m e a s u r e d ，w h i c h v e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so f t h es i m u l a t e dw i n dl o a d T h i r d ，T h e r ei sal o to fw a t e rt a n k so nt h et o po f t h eb u i l d i n gf o rd a i l yu s e ，s oi tc a nb e d e s i g n e dt ob es h a l l o wo rd e e pw a t e rt a n ka n du s e da st u n e dl i q u i dd a m p e r ( T L D ) t o r e d u c e s t m c t t t r a lr e s p o n s eo fd i s p l a c e m e n ta n da c c e l e r a t i o n T w op r o j e c t sa r cc a r r i e do u td e p e n dO i l d e e pt h e o r ya n d s h a l l o ww a v et h e o r yr e s p e c t i v e l ya n dc a r lb es e l e c t e db yd e s i g n e ra c c o r d i n g t o t h ea c t u a lc o n d i t i o n s H o w e v e r ，t h er e s p o n s e so f m a i ns t r u c t u r ew i t ha t t a c h e dT L D a r ec o m p l i c a t e dd u et ot h e n o n l i n e a r i t yo fl i q u i dm o t i o n i nT L Da n dt h es i m p l i f i e dT L Dm o d e lr e m a i n sf o raf u t u r es t u d y F u r t h e n n o r e ，t h ed e s i g nm e t h o da n dp r o c e s si nt h et h e s i sC a np r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h e w i n d i n d u c e dv i b r a t i o nc o n t r o lo f s i m i l a rt a l lb u i l d i n g sb y T L D K e y W o r d s ：v i b r a t i o nc o n t r o l ；t a l lb u i l d i n g s ；t u n e dl i q u i dd a m p e r ( T L D ) ；s i m u l a t i o no f w i n d ； s i m p l i f i e dm o d e l U 独创性说明 作者郑重声明：本硕十学位论文是我个人在导师指导下进行的研究1 二作 及墩得研究成采。尽我所知，除J ，义中特别加以标注和致谢的地方外，论义 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理： 火学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示厂谢意。 b tB 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 风荷载是高、大、细、长等柔性结构重要设计荷载，它可造成工程结构损伤和破坏， 可给人民生命财产带来重大的损失，是风灾损失的主要成分。据德国1 9 6 1 1 9 8 0 年二十 年间对损失1 亿美元以上自然灾害统计，风灾造成的损失占总自然灾害损失的4 0 5 。 随着生产和建设的发展，风灾损失与其他损失一样，每年递增。美国华盛顿世界观察社 报导，整个8 0 年代，因气候变化造成的损失也只5 4 0 亿美元，而9 0 年代前五年，已造 成1 6 2 0 亿美元的损失，暴增6 倍。如按德国统计资料推算，则世界风灾造成每年损失达 13 7 7 亿美元。但资料显示，实际风灾损失已远远超过上述数值，单单1 9 9 2 年安德鲁飓 风横扫美国佛罗里达- 1 1 ，把面积达1 0 0 多万平方英里的地方夷为平地，损失达到3 0 0 亿 美元，7 家保险公司因无法承受赔偿而倒闭。实际上，除美国外，其他国家的风灾损失 也是十分惊人的。1 9 9 1 年盂加拉国风灾造成1 4 万人丧生，损坏或摧毁1 0 0 万间民房， 造成3 0 亿美元损失，相当于孟加拉国国民总产值的1 0 ；而1 9 9 4 年该国二次风灾又造 成4 4 万人死亡，损失更加惊人。在我国，风灾损失也是十j 子惊人的，1 9 9 4 年9 4 1 5 号 这一次台风袭击浙江，就造成倒塌和损坏房屋8 0 多万间，倒掉通信电杆2 3 9 7 公里，死 亡1 0 0 0 多人，机场屋盖也被吹坏，9 9 m 高的通讯铁塔也被狂风刮倒。直接经济损失达1 0 8 亿人民币，加上间接损失，总数达i 7 7 6 亿人民币，约合2 0 多亿美元。新世纪以来，全 世界每年风灾损失都很巨大，仅去年美国佛罗里达州就连续遭受飓风珍妮、查里、法兰 西和伊万的袭击，据美国一家风险公司估算珍妮飓风带来的风灾损失达4 0 亿到8 0 亿美 元之间，再加上其他三次飓风损失，该州去年风灾损失己超过2 5 0 亿美元。 风灾损失的主要部分为工程结构的损坏和倒塌。特别是高、大、细、长的柔性工程 结构，抗风设计计算的合理和全面与否是： 程安全的重要关键。目前，国际上风工程学 术会议更加频繁，这说明风工程的研究以及在工程设计计算中的应用已得到各国的重视 。 随着科学技术的进步和城市建设中考虑节约用地的需要，高层建筑和高耸结构越来 越多的出现。高层建筑和高耸结构的主要特点是高度较高和水平方向刚度较柔，因此水 平风荷载会引起较大的结构反应o 。由于风对结构的作用，会产生以下结果： ( 1 ) 使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定； ( 2 ) 使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形，引起外墙、外装饰材料的损坏； ( 3 ) 由于反复的风振作用，引起结构物或结构构件的疲劳损坏； ( 4 ) 气动弹性的不稳定，致使结构物在风力作用下产生加剧的气动力； 大连国贸大厦高层水箱减振控制研究与应用 ( 5 ) 由于过大的动态运动，使结构物内的居住者或有关人员产生不舒适感。 为此，进行高层建筑和高耸结构的抗风设计是十分必要和重要的“”。又由于高 层建筑和高耸结构正向着日益增高和高强轻质的方向发展。结构的刚度和阻尼正在不 断的下降，因此结构在风荷载作用下的摆动也在加大。这样，就直接影响到了高层建 筑和高耸结构的正常使用，使得结构刚度和舒适度的要求越来越难满足，有时甚至威 胁到建筑物的安全。随着高强材料的不断应用和建筑总高度的不断增加，在高层建筑 和高耸结构的刚度和阻尼不断下降的情况下，采用常规的增加结构刚度的方法是不合 理的，同时也失去了使用高强材料的优势。低花费、高效益的方法是对高层建筑和高 耸结构的风振反应采用振动控制的方法。 本文正是采用属于结构振动控制中的一种被动控制装置，即调谐液体阻尼器( T L D ) 对大连国贸大厦进行风振控制，以期达到理想的减振效果，提高大厦在风荷载作用下的舒 适度和使用性。 1 1 结构振动控制研究现状 所谓结构振动控制( 筒称为结构控制) 技术，就是指通过采取一定的控制措施以减轻 或抑制结构由于动力荷载所引起的反应。该技术在机械、宇航、船舶等领域已经得到了 广泛应用，而其在土工工程界引起广泛兴趣则始于1 9 7 2 年美籍华裔学者Y a o ( 姚治平) 对 结构控制这一概念的首次提出。此后，结构振动控制技术得到了迅速发展，目前已经成 为结构工程学科中一个十分活跃的研究领域，被称为土木工程的高科技领域M 。 结构控制按是否需要外部能源和激励以及结构反应的信号，可以分为被动控制、主 动控制、混合控制和半主动控制。 ( 1 ) 被动控制 被动控制是一种不需要外部能源的结构控制技术，一般是指在结构的某个部位附加 一个予系统，或对结构自身的某些构件做构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动 控制因其构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持等优点而引起了广泛的关注， 并成为目前应用开发的热点，许多被动控制技术已日趋成熟，并已在实际工程中得到应 用。被动控制从控制机理上可分为基础隔振、消能减振体系和吸能减振体系。 基础隔振是在上部结构与基础之间设置某种隔振消能装置，以减小地震能量向上部 的传输，从而达到减小上部结构振动的目的。一些研究和应用较广的隔振装置有睁”1 ：1 ) 夹层橡胶垫隔振装置；2 ) 滚珠( 或滚轴) 加钢板消能装置；3 ) 粉粒垫层隔振装置；4 ) 铅 塞滞变阻尼器隔振装置：5 ) 钢滞变阻尼器隔振装置；6 ) 基底滑移隔振装置i7 ) 悬挂基 大连理工大学硕士学位论文 础隔振装置：8 ) 混合隔振装置等。隔振装置必须具备下面三项特性：具有较大的变形 能力；具有足够的初始刚度和强度；提供较大的阻尼，具有较大的耗能能力。 消能减振体系是把结构物的某些非承重构件设计成消能元件，或在结构物的某些部 位装设阻尼器。在风载或小震时，这些消能构件与阻尼器仍处于弹性状态，结构体系仍 具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求：在强风或强震作用下，消能元件或阻尼器首 先进入非弹性状态，产生较大的阻尼，大：曼耗散能量，使主体结构的动力反应减小。消 能减振体系按其消能装置的不同，可分为两类“”3 ：1 ) 消能构件减振体系：利用结构的非 承重构件作为消能装置的结构减震体系，常用的消能构件有：消能支撑：包括方框消能 支撑、圆形消能支撑、K 形偏心消能支撑等。消能剪力墙：有横缝剪力墙、竖缝剪力墙、 周边缝剪力墙和阻尼器剪力墙等。2 ) 阻尼器消能减振体系：强震时通过阻尼器耗散能量。 摩擦阻尼器：利用摩擦力做功耗散能量。金属阻尼器：利用某些金属具有的弹塑性滞 回变形耗能，包括软钢耗能装置、铅挤压阻尼器、记忆合金( s M A ) 耗能器。粘性和粘弹 性阻尼器：利用阻尼器材料分子的相对错动摩擦耗能。消能减振体系适用于高层建筑、超 高层建筑和高耸构筑物，对抗震和抗风都有效，而且眭能可靠；但装设数量少时作用不大， 数量多时造价显著增加。 吸能减振体系主要包括调谐质量阻尼器( T 胁) 2 4 - 3 1 、调谐液体阻尼器( T L D ) 。5 3 ”、质量 泵”1 和液压一质量振动控制系统( H M S ) 1 ，下面分别介绍： T N ) 系统是在结构顶层加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主结构相连，应用共 振原理，对结构的某一振型加以控制。通常惯性质量可以是高层或高耸结构的水箱、机 房或旋转锓厅。由于T M I ) 能有效地衰减结构的动力反应，安全、经济，已被广泛用作高 层建筑、高耸结构及大跨桥梁的抗震抗风装置。T M I ) 不仅可用于新建建筑，而且通过“加 层减震”技术可以改善已有房屋的耐震性能。T M I ) 体系有三种：1 ) 支承式；2 ) 悬吊式； 3 ) 碰击式。支承式T M D 滑块的启动存在着严重的时间滞后，而且地震能量密度谱较宽， 因此T M D 抗震效果不如抗风效果好。目前有一种带杠杆和摆的调谐质量阻尼器( T M D L P ) ， 该控制系统能显著降低高层建筑的水平位移、扭转位移和加速度反应，而且其调谐质量 块在地震激励下的位移比T I D 的位移小。该系统可以通过在结构的顶层设置多个摆，用 以控制高层建筑或高耸结构的前几阶振型。 T L D 同样采用共振原理，依靠液体的振荡来吸收和消耗主结构的振动能量，减小结 构的动力反应。T L D 系统相对于T M D 造价较低，不需要特别的装置，对容器的形状也无 特殊的限制，不需要维修，可以方便地设置在已有建筑之上，并可兼作水箱之用。与T M l ) 大连国贸大厦高层水箱减振控制研究与应用 一样，T L D 一般也仅适用于抗风。由于风与地震不一定存在共同的有效的减振频带，调 谐被动控制用于抗震时甚至可能会出现负效应。 质量泵是一种液体质量阻尼器，通过导管中液体往复流动时的惯性和粘性来消耗能 量。质量泵只需很少的液体便可发挥较大的等效质量和等效阻尼的作用。用质量泵能消 除结构的鞭梢效应。在结构的风振反应中，质量泵能有效地减小高层建筑结构项层加速 度反应，但对减小基底剪力和顶层位移反应效果不明显；抗震时，质量泵对高振型效果 较好，但对第一振型影响不显著。 肼s 系统由液压系统和质量块组成。当结构振动时，液体和质量块随之振动，从而 耗散和吸收振动能量，实现对结构的减振作用。该系统具有结构简单、造价低廉和易于 应用等特点，而且控制效果较好。用姗s 系统控制底层柔性结构柔性底层的地震反应， 同时使上部结构的底层位移反应减小，而且能够满足底层大空间的建筑功能要求。此外， 还有一些被动控制体系暗。”1 ，如拉索系统、悬挂结构体系、多结构联系振动控制系统、 柔性层体系等。 被动控制系统不需要外部能源，一般只对某种设定的地震动特征进行控制，缺乏跟 踪和调节的能力。其效果明显依赖于输入激励的频谱特性和结构的动态特性。目前对于 被动控制的研究主要存在下面几个问题“”1 ： 1 ) 被动控制装置的研究：一方面研究新的、有效的、经济效益好的被动控制装置。 另一方面对现有的被动控制装置进行研究，消除其局限性，扩大其适用范围； 2 ) 被动控制装置耐久性的研究及其材料性能的研究； 3 ) 被动控制减震效果的定量设计控制问题； 4 ) 被动控制系统的可靠性研究：包括结构自身可靠性与控制器可靠性的研究； 5 ) 被动控制装置的安装、维修与更换； 6 ) 被动控制的应用开发研究：包括编制我国的减震技术规程，进一步推广并正确指 导应用减震技术。 ( 2 ) 主动控制 主动控制是应用现代控制技术，对输入地震动和结构反应实现联机实时跟踪和预测， 并通过作动器对结构施加控制力来改变结构的系统特性，使结构与系统性能满足一定的 优化准则，以达到减小或抑制结构地震反应的控制方法。由于实时控制力可以随输入地 震改变，其控制效果基本上不依赖于地震波的特性，因此明显优于被动控制。结构主动 控制的研究涉及控制理论、随机振动、结构工程、材料科学、生物科学、机械工程、计 算机科学、振动测量、数据处理和自动控制技术，是一门交叉学科。主动控制通常包括 大连理工大学硕士学位论文 两类基本控制方式：开环控制和闭环控制。开环控制方法是直接对系统扰动输入进行量 测，根据系统扰动输入的情况综合出控制律。开环控制的在线计算量较小，对系统元件 的精度要求较高，抗干扰力差。主动闭环控制法是通过适当的系统状态反馈或输出反馈， 产生一定的控制作用，从而控制结构的振动。闭环控制的在线计算量较大，但具有较高 的扰干扰的能力，对控制元件的要求也不高，而且能保持连续地对较高控制效果进行监 测。目前对主动控制的研究多集中在理论领域，提出了相当多的控制算法。 土木工程中应用的主动控制算法主要包括陆”。3 3 ”：经典线性最优控制法、瞬时 最优控制算法、极点配置法、独立模态空间控靠4 法、随机最优控制法、界限状态控制法、 白适应控制法、模糊控制法、预测实时控制法、滑动模态控制法、日。控制法等。 主动控制的特点是采用能检测结构及外干扰振动的传感器，将传感器获得的信号作 为控制振动的控制信号，通过作动器随时向结构施加控制力，以便及时控制结构的动力 反应。控制装置大体上由仪器测量系统( 传感器) 、控制系统( 计算机) 、动力驱动系统( 作 动器) 等组成。 目前研究开发的控制力型主动控制装置主要有”“1 ：主动质量阻尼系统、主动 拉索系统、主动支撑系统、主动空气动力挡风板系统、气体脉冲发生器系统等，下面分 别介绍： 主动质量阻尼系统( 栅) 是由被动控制中的调谐质量阻尼器( T 彻) 演变来的，它通过 安装在结构上的传感器，连续监测结构反应的状态向量，根据利卡提闭环控制理论，计 算机将由时变的状态向量和反馈向量得出控制力，然后利用电液伺服装置，借助于附加 质量，将控制力施加于结构。 主动拉索系统( A T s ) 是在拉索上安装电液伺服系统，并在结构中设置传感器，传感器 把测到的结构反应传给控制器，控制器则按预先设定的控制算法得出控制力，再通过电 液伺服系统施加给拉索。 主动支撑系统是指在抗侧力构件上设置斜撑，并利用电液伺服系统来控制斜撑的收 缩运动。该装置可利用结构上已有的支撑构件，适用于高层、高耸和大跨结构。 主动空气动力挡风板系统是通过改变挡风板的受风面积来调整挡风扳所受的风压 力，从而抑制结构的风振反应。控制系统只需提供改变挡风板受风面积的操纵支杆滑动 的能量，因而该装置成本较低，而且节能。 气体脉冲发生器是以气体冲击形成脉冲控制力。脉冲控制力的方向和幅度调节灵活， 该装置控制效果较好，是界限状态控制的理想装置。 大连国贸大厦高层水箱减振控制研究与应用 主动控制从理论上可以通过开闭环控制使结构完全“镇定”下来，但从工程实际的 观点来看，仍存在一些可行性问题。目前主动控制系统的研究主要需要解决下面的一些 问题： 1 ) 模态误差和信息溢出误差。该误差是由于实际连续结构与离散的分析模型之间的 差异造成的。由此产生的误差如不能有效的控制，将影响控制的精度； 2 ) 参数不确定性和系统识别问题： 3 ) 时间滞后导致控制力的非同步作用，从而降1 r 氐了结构的有效性，甚至可能导致结 构的不稳定。调整控制力补偿时间延迟是主动控制能够实施的个关键环节； 4 ) 传感器与控制器的数目和位置问题。由于土建结构自由度数大，从实用和经济观 点出发，传感器和控制器不可能布满体系的所用自由度，这就引起在控制实现方面的附 加的复杂性； 5 ) 主动控制系统的可靠性评价。主动控制系统的可靠性维护和性能问题的解决是主 动控制应用与推广的前提； 6 ) 作动系统稳定余量与超调的影响； 7 ) 主动控制的时间过程的合理离散化，以最大限度地减轻时滞的影响； 8 ) 实现主动控制系统的其他问题，包括计算机硬件、作动器的设计、目标函数的有 效性和该系统的完美性。 ( 3 ) 混合控制 混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在商一结构上的结构振动控制形式。从 其元素所起作用的相对大小来看，有两种组合方式：一种是主从组合方式，即以某一控 制为主控制部件，其他部件通过主要部件实现对结构的控制。另一种是并列组合方式， 即两种控制各自独立工作，对结构实施校正作用。近年来研究最多的是以被动控制为主， 主动控制为辘的主从结合方式，将被动控制与主动控靠5 相结合，取长补短，既达到了保 证建筑结构的抗震安全和风振舒适感，又获得了直接的经济效益和社会效益。被动控制 由于引入了主动控制，其控制效果显著增强，系统可靠度得以提高；另一方面，主动控 制由于被动控制的参与，主动控制实施所需的控制力大大减小，抗震系统的稳定性和可 靠度都较纯主动控制的有所增强。国外近年来已开始研究利用混台控制来控制菲线性和 非弹性结构系统，效果较为理想，在理论研究上也有一些进展。 目前，较为典型的几种混合控制装置是“。8 州：1 ) A 姆与T 她相组合；Z ) 主动控制 与基础隔震相组合，如用得较多的与滑移隔震相组合；3 ) 主动控制与耗能减震相组合： 4 ) 锚索系统与镇定锚索控制系统相组合；5 ) 吣与A 相组合。 大连理工大学硕士学位论文 两种典型的混合控制方案是“：1 ) 被动控制作为结构对常遇荷载作用的保护装置， 主动控制系统作为结构抵抗罕遇地震荷载的元件，是结构破坏的最后道防线。2 ) 被动 控制作为控制系统的主体，主动控制对被动控制系统减小限位控制，并提供被动控制系 统所需的恢复力。 ( 4 ) 半主动控制 半主动控制是利用控制机构来主动调节结构内部的参数，使结构参数处于最优状态， 所需的外部能量比控制力型小得多。比起控制力型主动控制，结构性能可变型主动控制 更容易实施而且也更为经济，而控制效果又与前者相近，因此结构性能可变型主动控制 目前具有更大的研究和应用价值。结构性能可变型主动控制往往采用开关控制或称为 “O 一1 ”控制，通过开关改变控制器的工作状态，从而改变结构的动力特性。目前，较为 典型的结构性能可变型主动控制装置有。“3 3 “”“”“5 7 - 。5 7 ：可变刚度系统、可变阻尼系统、 主动调谐参数质量阻尼系统、可控( 电流变或磁流变) 液体阻尼器、可控摩擦式隔振系统 等，下面分别介绍： 可变刚度系统( A V S ) 的基本思想是：通过可变刚度装置使受控结构的刚度在每一采样 周期内根据特定的控制律而不同刚度值之间实时进行切换，从而使得受控结构在每一采 样周期内都尽可能远离共振状态，达到减振的目的。可变刚度装置一般由支撑和设置于 支撑与受控结构间的电液伺服系统所组成。 可变阻尼系统( A D S ) 实质上是一种节流孔的大小可以调节的粘性液体阻尼器，在每一 采样周期内根据特定的控制律实时调节节流的大小，使得受控结构在每一采样周期内都 尽可能远离共振状态，从而达到减振的目的。 可控T M D ( 或T L D ) 系统与T M D ( 或T L D ) 系统的不同之处在于前者在系统内安装了一套 控制装置可以对T M D ( 或T L D ) 的参数( 刚度、阻尼) 进行实时调整。 可控( 电流变或磁流变) 液体阻尼器中的电流变和磁流变液体被称为智能材料，因为 这两种材料分别在电场和磁场作用下会在极短时间内由液态转变为具有可以控制的屈服 强度的半固态，利用它们可以制成快速响应的半主动控制装置。因此近年来这两种材料 引起了众多学者的广泛关注。 可控摩擦式隔振系统是在传统摩擦式隔振系统基础上，安装了一个与压力控制系统 相连的液压腔，液压腔的作用是调整摩擦面的正压力。由于摩擦面的正压力是可控的， 因此可使系统的隔振性能达到最优。 大连国贸大厦高层水箱减振控制研究与应用 总之，结构振动控制的研究已经取得了可喜的成果，开始应用于土木工程中，并取 得了很好的减振效果。但就结构振动控制进一步发展而言，还需解决以下一些主要问题 【： 1 ) 各种造价低、稳定可靠且施工方便的控制装置的研究开发及推广应用； 2 ) 与主动控制、被动控制和混合控制相关的新访料的研究，这些材料应具有高性能 和智能的特点； 3 ) 控制系统的可行性、稳定性、耐久性和经济性的论证，这是结构控制技术推广应 用的关键； 4 ) 具有分布感知特点的智能传感器的研究和智能控制器的应用开发； j ) 强震作用下，结构的地震反应和控制规律的研究； 6 ) 与主动控制在线监测、系统识别和控制计算相关的人工智能，神经网络及模糊逻 辑的研究； 7 ) 大尺度模型试验和实际结构控制效果的研究； 8 ) 半主动控制和混合控制的应用研究以及一些成熟的控制技术的应用开发： 9 ) 基于随机振动理论的结构时变、非线性控制的研究；结构的健康监控、条件评估 和损伤检测的研究。 1 2 调谐液体阻尼器减振研究现状 调谐液体阻尼器( T L D ) 是一种固定在结构上的具：占一定形状的盛水容器。它对结构进 行振动控制的机理是：在结构振动的过程中，容器中水的惯性力和波浪对容器壁产生的 动压力构成为对结构的控制力，同时结构振动的部分能量也将由于水的粘性而耗散掉， 从而达到减小结构反应的目的“2 “I m 。 通常，水箱运动时液体作用于箱体上的力主要有三种成分：晃荡力、脉冲力和底部 剪力。底部剪力与基底结构的运动速度平方成比例、方向与速度相反，因此它对基底结 构总是作负功而起消能及消振作用；脉冲力是与基底结构上质量块的惯性力性质完全相 同的力，它增加了结构的惯性力，起不利作用；晃荡力是可利用的，通过调谐可达到与 外力反相位，在共振情况下与基底结构的阻尼力同等效果，晃荡力本质并不是阻尼力， 只是对基底结构起到了阻尼力的作用。在液面共振下，晃荡力与液面阻尼力平衡，晃荡 力并不是液面阻尼力，起减振作用的是晃荡力呻3 。 T L D 装置有1 ) 构造简单、安装简易；2 ) 自动激活性能好；3 ) 在剧烈振动下T L D 水 箱内自由液面破碎后可快速再度生成：4 ) 可调性好；5 ) 极适宜于低频结构；6 ) 投资省 大连理工大学硕士学位论文 等方面优点。可以利用生活、消防等用水的深水水箱，也可以设置专门用来减振的浅水 水箱“。 在被动控制中，T L D 是一种有效的结构控制方式。1 9 8 0 年，M o d i ”等首次提出利用 液体阻尼器来抑制地面结构物的风致失稳。1 9 8 4 年，B a u e r 1 提出了一种新的抑制结构 物振动反应的阻尼器，即利用贮有两层互：不相溶不同密度液体的矩形容器作为阻尼器安 装在结构上，依靠两层液体交界面的运动产生动侧压力来提供减振力。从工作原理上说， 这两种液体阻尼器都是调谐液体阻尼器。1 9 8 7 年，S a t o m l 提出用T L D 控制建筑结构的振 动。同年，T L D 装置首次应用于地面结构物日本的N a g a s a k i 机场指挥塔的风振控制 ”“。此后，T L D 对地面结构物动力反应控制的研究引起了土木工程界学者和工程设计人 员的广泛关注，目前在这一领域已取得了一定的研究成果，并开始付诸于工程实践m 1 。 理论研究和试验研究都表明：T L D 对风荷载和地震荷载均具有很好的减振效果。应用到 实际工程后，经测试，减振效果非常理想，基本都达到设计之初的减振控制目的，收到 了很好的效果。 1 21 T L D 减振控制理论与实验研究 调谐液体阻尼器主要分两类：第一类是矩形、圆柱形或圆环形的水箱，第二类是一 种具有U 型形状的管装水箱。一般所说的1 、L D 是指第一类，而把第二类称之为U 型水箱 ( T u n e dL i q u i dC o l u m nD a m p e r ，简称T L C D ) ，下面分别介绍： 一般根据T L D 内液深与振动方向的尺寸之比将其分为深水T L D 和浅水T L D 。当液深 与振动方向尺寸之比大于l 8 的水箱为深水T L D ，否则为浅水T L D “。 ( 1 ) 深水T L D H o u s n e r ”是较早研究水箱内液体晃动特性的学者之一，他将液体晃动对箱壁产生的 动液压力分为脉冲压力和振荡压力两部分，并将这两种动液压力分别用两个与箱体联结 形式不同的等效质量的振动效应来模拟。K E w e e m 等”7 1 基于这一计算模型，研究了矩形深 水水箱一多自由度结构体系在随机荷载作用下的动力响应。通过算例分析表明，当液体 的某一阶晃动模态与结构体系的基本振动模态一致时，结构的振动响应会受到抑制。瞿 伟廉等“”总结了用深水T L D 进行风振控制的理论和设计方法。张敏政等通过深水矩形 水箱模型的正弦波激振实验，验证了计算振荡水频率的理论公式，给出了估算振荡水阻 尼的经验关系；然后通过水箱一结构体系的地震模拟试验，研究了水箱减振的控制效果， 并结合试验结果，对水箱一结构体系的地震反应进行了数值模拟。研究表明，利用水箱 大连国贸大厦高层水箱减振控制研究与应用 减小高柔结构的地震反应是有效的。另外，瞿伟廉等。1 、钱稼茹等”。还分别探讨了厨环 形深水T L D 对电视塔风振反应、地震反应的控制问题。 理论计算表明，深水T L D 中液体晃荡阻尼对控制效果有明显的影响。般深水T L D 中液体晃荡阻尼较小，减振频带窄，导致控制效果对频率不调谐的程度十分敏感，以致 在工程中很难直接应用该类T L D 。研究者采取不同措施提高液体的晃荡阻尼，如在深水 水箱中附加隔板、金属网、肋条、浮子、多孔板等装置。由于在水箱内附加特殊装置， 此时液体晃动问题的数学描述、求解变得非常困难，往往只能求助于试验手段和数值分 析。l 、 o j i 等。4 、张敏政”1 等通过对深水矩形水箱模型试验，研究表明水箱内附加滤网后 液体晃荡阻尼明显提高。瞿伟廉等建议设置漂浮物增加液体晃荡阻尼。梁波等。1 提出 在圆柱形深水水箱内附加环形防晃板以提高液体晃动阻尼，分析了防晃板参数对减振效 果的影响。另一些研究者，不采用增加T L D 内液体晃荡阻尼的措施，李忠献等研究了 利用多重深水T L D ( M T L D s ) 对高层建筑结构地震反应的控制作用，数值模拟表明这种控制 方式能有效降低T L D 控制效果对不调谐程度的敏感性。沈国光等嘲建议采用具有自由面 的分层流体T L D ，并对矩形分层流体T L D 的振动特性进行了研究，研究表明分层流体T L D 具有不同于单层流体T L D 的频率特性，可以克服单层流体T L D 只能在单一控制频率点附 近发挥减振作用的不足，具有更好的适用性和可靠性，但这一方面的研究还不完善，主 要是缺乏实用的有较大密度差的分层流体。 ( 2 ) 浅水T L D 对于浅水T L D ，微幅波假设不成立，线性波浪理论不再适用。M o d i 等将浅水水箱 中的液体分为边界层和边界层外两部分。边界层厚度很小，液体运动有旋，而边界层外 的液体可看成具有非线性自由面的理想流体。 F u j i n o 等”3 对浅型圆柱水箱一单自由度结构体系进行了试验研究，研究了诸多因素 如：频率调谐系数、激励振幅、水箱大小、液体粘性、水箱底部粗糙度、液体波浪破碎、 水箱顶板高度以及T L D 与结构的质量比等对结构阻尼增益的影响。基于浅水波理论，S u n 和F u j i n o 等建立了矩形水箱中液体运动的非线性模型。后来，F u j i n o 和S u n 等对 矩形浅水水箱进行试验研究，研究表明当T L D 在小幅振动，液体波浪未发生破碎的情况 下，试验结果与非线性模型理论分析结果相吻合，从而证实了非线性模型的有效往。S u n 和F u j i n o 等”。又进一步将其原来提出的非线性模型扩展到液体发生波浪破碎的情形。为 了避免浅水T L D 系统由于其基本晃荡频率与结构受控频率不调谐时引起控制效果的降 低，F u j i n o 和S u n 。9 ”还考察了多重浅水T L D ( M T L D s ) 系统的动力特性以及M T L D s 系统的参 数对谐波作用下单自由度体系动力反应的影响。并指出，在受振幅度较小的情况下，b l T L D s 大连理工大学硕士学位论文 比普通T L D 的控制效果好，但当受振幅较大时，两者效果相当。此后，S u n 和F u j i n o 等 0 2 1 还建立了用T L D 控制结构扭转振动的计算模型。 K o h 等”“在S u n 和F u j i n o 等提出的模型基础上，研究了部分粘性液体的运动模型， 得到在任意荷载作用下逸散项表达式，并：通过试验予以验证。 任振华等从二维不可压缩无粘流体方程出发，导出直角坐标中的浅液波动方程， 进而推广到三维情形，并利用有限差分法求其数值解。同时进行了大型圆柱形水箱的浅 液动力响应振动台试验，来验证浅液波动理论极其差分计算方法。研究表明，试验值与 理论值符合很好。 瞿伟廉等。”根据S u n 和F u j i n o 等提出的矩形浅液T L D 制振的基本原理建立了T L D 对 高柔结构风振控制的设计方法，据此方法对珠海市金山大厦主楼风振控制的设计计算表 明，浅水T L D 对高柔结构风振加速度的控制是十分有效的。 W a k a h a r a 等1 利用B o u s s i n e s q 方程建立了圆柱形调谐液体阻尼器三维非线性模型， 通过数值计算与振动台试验数据比较，验证了该模型的有效性。 R e e d 等。”通过振动台试验和数值分析，研究了矩形T L D 在大振幅激励作用下的动力 特性。 目前，浅水T L D 减振控制的理论和试验研究成果非常丰富，技术较为成熟。从控制 效果看，经优化设计后，同样质量的浅水r L D 优于深水T L D 。 ( 3 ) 调谐液体柱形阻尼器( T L C D ) T L C D 是一种成u 型的等截面管状水箱，在管道中间安设有一个增加液体运动时的阻 尼隔板，水箱下部直接固定在结构上，当结构受振作用时带动水箱内水的晃动，这种水 晃动所产生的水平惯性力对水箱壁的作用就构成了对结构的减振力。 T L C D 是由S a k a i 等提出的一种控制装置，国内外学者对这种控制装置已经进行了 大量的理论与试验研究。X u 等刚研究了T L C D 对结构风振控制的有效性，研究表明经过 合理的参数选取，T L C D 的控制效果与调谐质量阻尼器( T u n e dM a s sD a m p e r ，简称T M D ) 相当，但过大的液体运动会使T L C D 控制效果降低。还指出，当将T L C D 中水晃动频率调 谐与结构的基频一致，可能会造成某些未控高阶模态响应变大，甚至超过受控模态的响 应。瞿伟廉等“在试验分析的基础上提出了T L C D 对高层建筑和高耸结构脉动风振反应控 制的工作原理、计算方法和水箱参数对结构风振控制效果的影响。计算分析表明u 型水 箱是一种简单、经济和实用的控制装置。中文还通过数值统计分析，给出了U 型水箱参 数的确定原则，为进一步的工程设计提供：r 理论依据。值得注意的是，瞿伟廉等在实验 分析的基础上指出u 型水箱对结构振动控制的效果是随结构振动幅值的加大而提高的。 大连国贸大厦高层水箱减振控$ 4 研究与应用 S a m a l i 等“。提出利用多重T L C D ( 简称M T L C D ) 来控制高层建筑地震反应，分析指出，与单 重T L C O ( 简称S T L C D ) 相比，M T L C D 控制效果好，并且大大降低了对调谐频率的敏感程度。 之后，G a o 等“”进一步讨论了M T L C D 的优缺点，并提出一种V 形T L C D 来抑制结构的强烈 振动。B a l e n d r a 等“考察了T L C D 对不同结构，包括框架、剪力墙、框架一剪力墙体系， 在随机风荷载作用下的控制效果。文中运用连续化运动方程描述受控结构体系，采用传 递矩阵算法得到位移和加速度响应的减振系数公式。通过数值计算，研究了高阶模态、 建筑物高度、阻尼比、刚度与T L C I ) 安装位置等因素对剪切型和弯蓝型两种结构体系T L C D 风振控制效果的影响。另外，C h a n g