（固体力学专业论文）基于磁流变阻尼器技术的结构振动混合控制理论与试验研究.pdf

摘要 摘要 通过在土木工程结构上设置控制机构，并与结构共同抵御地震、风荷载等动力荷载的 结构振动控制技术是结构抗震抗风对策的一种有效方法，基于智能材料的主动、半主动及 混合控制技术为结构振动控制技术的理论发展和工程应用开辟了新的途径。磁流变( m r ) 阻尼器是一种基于智能m r 流体的半主动控制装置，具有体积小、耗能少、结构简单、响 应快并且阻尼力大等优点，在土木工程结构的振动控制中具有广阔的应用前景。 本文通过电磁场的理论分析，利用m r 的材料特性，成功研制了种新型复合磁流变 阻尼器。并且基于该复合磁流变阻尼器，利用线性二次高斯( l q g ) 控制及广义预测控制 算法对框架模型进行了被动、半主动及混合控制的理论与试验研究，本文主要工作及成果 包括以下几个方面： ( 1 ) 介绍一种复合磁流变阻尼器的基本工作原理和组成，基于电磁场基本原理建立 了复合磁流变阻尼器的理论分析模型，并通过有限元进行了模拟分析，验证了采用复合磁 路进行磁流变阻尼器设计的有效性； ( 2 ) 设计和制作了一个最大出力约5 5 0 0 n 、可控阻尼力约为4 6 8 0 n 的新型复合阀式 磁流变阻尼器，并对阻尼器的动力性能进行了测试试验，根据目前对磁流变阻尼器研究的 力学模型的优缺点，本文提出一种适用于该磁流变阻尼器的修正的非线性滞回双粘性模 型； ( 3 ) 针对自行制作的铅芯叠层橡胶隔震垫和复合磁流变阻尼器的被动、半主动、混 合控制系统，采用了仅依据加速度作为状态反馈的线性二次高斯( l q g ) 算法控制和具有 时滞自补偿的广义预测控制系统；并在磁流变阻尼器的修j 下的非线性滞回双粘性模型基础 上，利用m a t l a b s i m u l i n k 强大而简明的建模能力，对三层钢框架建立了以上两种控 制算法的s i m u l i n k 仿真分析模块，验证了控制方案的有效性： ( 4 ) 在两种不同地震波( e 1 c e n t r o 、t a f t ) 激励下，分别针对基于l q g 和广义预测两 种控制算法的半主动控制系统、磁流变阻尼器以恒定电流一o 5 a ( p a s s i v e o n l ) 、 o a ( p a s s i v e - o f o 、2 a ( p a s s i v e o n 2 ) 和安装铅芯叠层橡胶隔震垫的四种被动控制系统，以及由 以上半主动控制方式和基础隔震组合而成的混合控制系统，在w i n c o n s i m u l i n k 实时 控制软件平台下对一个l ：4 三层钢框架模型进行了地震模拟振动台试验。试验结果表明： 基于复合磁流变阻尼器的控制系统是有效的，无论是被动控制、半主动控制还是混合控制， 摘要 都显著降低了模型结构各层的响应；复合磁流变阻尼器在不通入电流时具有一定的被动控 制效果，验证了复合结构的磁流变阻尼器应用于土木工程结构比传统阻尼器具有更高的可 靠性、实用性和经济性；试验中采用考虑时滞自补偿的广义预测控制效果要比采用l q g 控制效果好，并且这两种方案的都能以较被动控制小的控制力达到较好的控制效果；从控 制策略上讲，无论是混合被动控制还是混合半主动控制，其控制效果明显优于单独铅芯叠 层橡胶隔震垫基础隔震和单独安装磁流变阻尼器的被动控制，以及安装磁流变阻尼器的半 主动控制。通过仿真分析与试验结果的比较，也证实了本文采用的仿真算法的正确性，从 而为基于复合磁流变阻尼器的半主动控制系统、混合控制系统在土木工程中的应用提供了 可靠的依据。 关键词：复合磁流变阻尼器；结构振动控制；半主动控制；混合控制：广义预测控制；振 动台试验 a b s t r a c t s t r u c t u r a lv i b r a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v em e t h o dw h i c hu s i n gs o m ec o n t r o l d e v i c e sw o r k i n gt o g e t h e r 晰ms t r u c t u r e st or e s i s tt h ed y n a m i c a ll o a d sb ys e i s m i c ，谢n da n d o t h e r s t h es e m i - a c t i v ea n dh y b r i dc o n t r o lb a s e do nu s i n gt h es m a r tm a t e r i a l so p e nan e w d o o r f o rd e v e l o p i n gt h e o r ya n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h i st h e o r y m a g n e t o r h e o l o g i c a ( m r ) d a m p ei sas e m i a c t i v ec o n t r o ld e v i c e ，w h i c hh a si l l u s t r a t e dag o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h e f i e l do f v i b r a t i o nc o n t r o lf o rc i v i ls t r u c t u r e s t h i st y p eo f d a m p e rh a sm a n yo b v i o u sa d v a t a n g e s ， s u c ha si t ss m a l lc u b a g e ，r a p i dr e s p o n s e ，l o wp o w e rr e q u i r e m e n t ，s i m p l es t r u c t u r e ，l a r g e d a m p i n g f o r c ec a p a c i t y , a n ds oo n a p p l i n gt h et h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i s m ，an e w - s t y l ec o m p o s i t em rd a m p e ri sd e v e l o p e d m a k i n gu s eo ft h em a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c o fm rl i q u i di n t h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nt h e c o m p o s i t em rd a m p e r , as t u d yo nt h et h e o r i e sa n de x p e r i m e n t e so fp a s s i v ec o n t r o l ，s e m i a c t i v e a n dh y b r i dc o n t r o lu s i n gt h el i n e a rq u a d r a t i cg a u s s i a n ( l q g ) a n dg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v e c o n t r o l ( g p c ) i sp e r f o r m e d t h em a i n w o r ko f t h i st h e s i sc a n b ec o n c l u d e da s ： ( 1 ) t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ei n t e m a lm e c h a n i s mo f an e w - s t y l ec o m p o s i t em rd a m p e r a r ei n t r o d u c e df i r s t b a s e do nt h et h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i s m ，t h em e c h a n i c a lm o d e lo ft h e d a m p e ri se s t a b l i s h e d ，a n di ss i m u l a t e db yt h ec o m m e r c i a lp a c k a g ea n s y s t h er e s u l t sh a v e s h o w nt h ev a l i d i t yo f t h em a g n e t i cc i r c u i tf o rt h ed e s i g no f m rd a m p e r ( 2 ) an e w - s t y l ec o m p o s i t ea n dv a l v em o d em rd a m p e ri sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d t h e m a x i m u mf o r c ei s5 5 0 0 n ，t h em a x i m u mc o n t r o l l a b l ef o r c ei s4 6 8 0 n ，a n dt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed a m p e ra r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d y c o n s i d e r i n gt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n gm o d e l s ，am o d i f i e dn o n l i n e a rh y s t e r e t i cb i v i s c o u s m o d e li sp r e s e n t e d ，w h i c hi sv e r yr e a s o n a b l ef o rt h i sd a m p e r ( 3 ) t h el i n e a rq u a d r a t i cg a u s s i a n ( l q g ) a l g o r i t h m sc o n t r o lt h e o r ya n dg e n e r a l i z e d p r e d i c t i v ec o n t r o l ( g p c ) t h e o r ya r ea d o p t e dt oi n v e s t i g a t e dt h ep a s s i v ec o n t r o l ，s e m i a c t i v ea n d h y b r i dc o n t r o ls y s t e m , w h i c hi sc o m p o s e do fl e a dp l u gl a m i n a t e dr u b b e rb e a r i n g sa n dt h e c o m p o s i t em rd a m p e r t h el q go n l yr e q u i r e dt h ea c c e l e r a t i o nr e s p o n s e so fs t r u c t u r ef o rt h e f e e d b a c k ，w h i l et h eg p ch a st h ef u n c t i o no ft i m ed e l a ys e l f - c o m p e n s a t i o n b a s e do nt h e m o d i f i e dn o n l i n e a rh y s t e r e t i cb i v i s c o u sm o d e l ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nu s i n gp o w e r f u l i i i a b s t r a c t s o f t w a r e - m a t l a b s i m u l l n ko nat h r e e s t o r e ys t e e l 矗锄e r e s u l t sh a v ep r o v e dt h ev a l i d i t yo f t h ec o n t r o ls c h e m e ( 4 ) u n d e rt w od i f f e r e n ts e i s m i ci n p u t ( e i - c e n t r o 、t a r ) ，t h r e ec o n t r o ls y s t e m sa r ea d o p t e d ， w h i c ha r es e m i - a c t i v ec o n t r o ls y s t e m ，p a s s i v ea n dh y b r i dc o n t r o ls y s t e mr e s p e c t i v e l y t h e s e m i a c t i v ec o n t r o ls y s t e m si sb a s e do nt h el i n e a rq u a d r a t i cg a u s s i a n ( l q g ) a n dg e n e r a l i z e d p r e d i c t i v e c o n t r o l ( g p c ) ，t h e f o u r p a s s i v e c o n t r o li sc a r r i e do u ta tt h ev a l u eo f o 5 a ( p a s s i v e o n l ) ，o a ( p a s s i v e - o f f ) ，2 a ( p a s s i v e - o n 2 ) a n do n l yu s cl e a dp l u gr u b b e rb e a r i n g s ， r e s p e c t i v e l y , a n dt h eh y b r i dc o n t r o ls y s t e mc o n s i s to fs e m i - a c t i v ec o n t r o la n d t h eb a s ei s o l a t i o n o nt h er e a l - t i m ec o n t r o lp l a t f o r mo f w i n c o n s i m u l i n k ，as e r i e so f s h a k i n gt a b l et e s t so f t h e c o n t r o ls y s t e m so nao n e - f o u r t hs c a l e ds t e e lf r a n l em o d e li n s t a i l e dt h ec o m p o s i t em rd a m p e r a n dl e a dp l u gr u b b e rb e a r i n g sa r ec a r r i e do u t 。t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n t r o ls y s t e m s b a s e do nt h ec o m p o s i t em rd a m p e ra r ev e r ye f f e c t i v e t h ef o u rp a s s i v ec o n t r o ls i t u a t i o n s ， s e m i ，a c t i v ec o n t r o la n dh y b r i dc o n t r o la r ea l la b l et os i g n i f i c a n t l yr e d u c et h es e i s m i cr e s p o n s e s o ft h em o d e ls t r u c t u r e t h ee f f e c to ft h ep a s s i v ec o n t r o ls y s t e mu n d e ro ac u r r e n td e m o n s t r a t e s t h a tt h ec o m p o s i t em rd a m p e ra p p l i e di nt h ev i b r a t i o nc o n t r o lf o rc i v i le n g i n e e r i n gi sm o r e r e l i a b l e ，p r a c t i c a la n de c o n o m i ct h a nt h ec o n v e n t i o n a lm rd a m p e r t h eg p ct h e o r y , w h i c hh a s t h ef u n c t i o no ft i m ed e l a ys e l f - c o m p e n s a t i o n , a c h i e v e sab e t t e rc o n t r o le f f e c tt h a nt h el q g a l g o r i t h m sc o n t r o lt h e o r yi nt h et e s t i n g ，b e s i d e s ，b o t ht h eg p ct h e o r ya n dt h el q ga l g o r i t h m s a c h i e v eab e t t e rc o n t r o le f f e c tw i t hl e s sc o n t r o lf o r c e sc o m p a r e dw i t hp a s s i v ec o n t r 0 1 f r o mt h e p o i n to fv i e wo fc o n t r o ls t r a t e g y , t e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e c o n t r o le f f e c tw i t he i t h e r h y b r i d p a s s i v ec o n t r o lo rh y b r i d - s e m i - a c t i v ec o n t r o la r eb e t t e rt h a nt h ep a s s i v ec o n t r o lo n l y i n s t a l l e dl e a dp l u gr u b b e rb e a r i n g s ，t h ec o m p o s i t em rd a m p e ra n dt h es e m i - a c t i v ec o n t r o lo n l y i n s t a l lt h ec o m p o s i t em rd a m p e r , r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t ht h e t e s t e dr e s u l t s ，t h ef o r e g o i n gc o n t r o l l i n ga l g o r i t h m sa r ep r o v e dt ob ee f f e c t i v e c o n s e q u e n t l y , i t p r o v i d e dr e l i a b l eb a s i sf o ra p p l y i n gt h es e m i a c t i v ec o n t r o ls y s t e m sa n dh y b r i dc o n t r o l su s i n g t h ec o m p o s i t em r d a m p e rt oc i v i le n g i n e e n n g k e yw o r d s ：c o m p o s i t em rd a m p e r ；s t r u c t u r a lv i b r a t i o nc o n t r o l ；s e m i - a c t i v ec o n t r o l ；h y b r i d c o n t r o l ；g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ( g p c ) ；s h a k i n gt a b l et e s t 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年5 月2 2 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年5 月2 2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文课题背景及研究意义 强烈的地震给世界各国人民造成了巨大的灾害。地震中建筑物的大量破坏与倒塌，是 造成地震灾害的直接原因。我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，全国约4 5 0 个城市 中，位于地震区的占7 4 5 ，约有一半城市位于基本烈度7 度和7 度以上地区。2 8 个百 万以上人口的大城市中，有8 5 7 位于地震区【l 】。并且由于目前建筑物( 构筑物) 的高度日 益增高，所用材料趋向轻质高强，这就使结构柔度增加、阻尼下降，对风力及地震作用更 为敏感。因此，研究更加安全、经济、可靠的结构新体系是工程结构抗震领域的主要课题， 对有效地减轻地震灾害有重要的现实意义。 传统的抗震结构体系是通过增强结构本身的性能来“抗御”地震作用的。即由结构本 身储存和消耗地震能量，如加大构件的截面尺寸或提高材料的强度等级等，以满足结构的 抗震设防要求囝。但由于人们尚不能准确地估计结构未来可能遭遇的地震动的强度和特 性，而按传统方法设计的结构其抗震性能不具备自我调节与自我控制的能力，因此在这种 不确定性的地震作用下，结构很可能不满足安全性的要求，而产生严重破坏，甚至倒塌， 造成重大的经济损失和人员伤亡。所以传统的结构抗震方法既不经济，又存在较大的问题。 建筑结构振动控制可能是彻底解决这一问题的方法，近l o 年来，越来越多的科学工作者 对振动控制产生兴趣，并投入到振动控制的理论、试验和应用的研究之中，通过在结构上 设置控制机构，由控制机构与结构共同抵御地震动等动力荷载，使结构的动力响应减小。 结构振动控制是人的主观能动性与自然的高度结合，是结构抗震抗风对策的新的里程碑 【3 1 。 1 2 结构振动控制 自从美籍华人y a o i 4 1 1 9 7 2 年结合控制理论，首次提出结构振动控制的概念以来，结构 振动控制的研究和应用越来越得到人们的广泛关注和重视，目前己成为结构工程和振动工 程领域最具前沿性的发展方向之一。在土木工程领域中，由于高层建筑与大跨度桥梁的出 现，为保证结构的完整性与其它要求( 如建筑物中人的舒适性等) ，往往要对由环境外载( 如 风、地震等) 弓l 起的响应进行控制。近3 0 年来，结构振动控制在土木工程领域已得到很多 第一章绪论 应用。结构振动控制发展至今，已经成为结构设计的一个有力辅助工具，使结构设计思想 从仅仅靠增加结构刚度，发展成为追求结构质量、刚度和阻尼的合理分布，为工程设计与 建设开辟了一条新的途径。在同样的造价下，采用结构振动控制设计可以得到性能更优的 设计方案，而在同样的性能要求下，结构振动控制设计往往能够得到造价更低的设计方案。 依据土木工程结构振动控制系统与外部能源、结构振动响应信息和动荷载信息之间的 关系，结构振动控制大体上可分为：被动控制( p a s s i v ec o n t r 0 1 ) 、主动控f b l j ( a c t i v ec o n t r 0 1 ) 、 半主动控$ l j ( s e m i a c t i v ec o n t r 0 1 ) 和混合控制( h y b f i dc o n t r 0 1 ) 。 1 2 1 结构振动被动控制 被动控制是指不依赖外部能源，只对某种设定的地震动力特性进行抗震控制的控制系 统，其控制力由控制装置本身随结构一起振动变形而被动产生，所以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，适用范围较窄，但是它却 具有以下四个优点：1 构造简单、造价低；2 无需外界能源支持；3 具有内在的稳定性， 易于维护；4 能控制较大的地震运动。这些优点促使其受到广泛关注，并成为当前应用开 发的热点。许多被动控制技术己r 趋成熟，并已在实际工程中应用。一般包括以下几种被 动控制技术和装置： ( 1 ) 基础隔震体系 基础隔震技术【5 - 6 是指在结构物底部与基础项面之间设 置隔震消能装置的技术，它是在建筑物基础与上部结构之间 设置一层隔离层( 夹层橡胶) ，把上部结构与基础隔离开来， 地震中地震能量通过基础向上部结构的传递如图1 1 。隔震 技术增加了结构的变形能力和滞变阻尼。变形能力的增加， 可以使得结构在地震作用下保持不倒，而阻尼的增大可以吸 收更多的地震能量，从而大大减小地震作用。同时，结构变 形能力的增大导致了结构产生的第一振型周期变长，这与增 大的阻尼相结合，就可以大大降低地震影响系数，并且结构 下部结构 物底部有足够的横向变形能力和滞变阻尼，使得结构底部的图1 - 1 地震中的基础隔震体系 应力分布较为均匀，避免了常见的结构底部首先破坏的可能性。 基础隔震技术是国内外研究和应用最早的被动控制方法。6 0 年代初我国的李力提出了 2 第一章绪论 用砂层和橡胶层隔震的思想和方法 7 1 ，7 0 年代美国的k e l l y 提出了叠层橡胶支座隔震的方法 和技术嘲，此后结构的隔震技术进入了蓬勃发展的阶段。随着隔震的方法和技术的广泛应 用，隔震的形式和装置也日趋多种多样，出现了橡胶隔震、滑动隔震、摆动隔震、弹簧隔 震等多种形式。由于结构隔震体系的理论和实验研究已经比较成熟，工程应用正在逐步展 开。日本是采用隔震技术最多的国家，已应用于几百幢房屋，我国也有3 0 多幢房屋和桥梁 采用了这种技术。1 9 9 5 年日本k o b e 地震中有两栋采用橡胶垫隔震的房屋丝毫未损，这表明 橡胶垫隔震技术己经经受住了实践的考验，并表现出优良的效果 9 1 。虽然隔震手段技术简 单、造价低、性能可靠，是一种很有效的振动控制技术，但它主要适用于自振周期短的中 低层建筑和刚性结构，而且橡胶隔震垫的老化和耐久性问题还有待于进一步的研究。 结构基础隔震体系按隔震机理的不同划分，目前主要有叠层橡胶垫隔震体系、滑动摩 擦隔震体系、组合隔震体系、摩擦摆体系、滚轴或滚珠摩擦隔震体系以及新近出现的滑动 凹面基础隔震体系等1 1 0 1 。由于结构安全性、结构可行性和造价的经济性等各方面的原因， 研究和应用较为广泛的主要是叠层橡胶垫隔震体系【l l 】、滑动摩擦隔震体系【1 2 1 和复合隔震体 系【1 3 】。 橡胶支座隔震系统 橡胶支座隔震系统的支座常用的主要有普通叠层橡胶支座、铅芯叠层橡胶支座、高阻 尼叠层橡胶支座等。它们利用了叠层橡胶支座对阻尼材料的约束力，使之仅产生剪切变形， 充分发挥了阻尼材料的吸能性能，有效吸收了水平运动的能量。橡胶隔震体系结构初始刚 度不大，隔震效果良好，构造简单，性能稳定，是目前各国应用最多的种隔震体系，但 造价较高。 摩擦、滑移隔震系统 滑移、转动基础隔震是在基础面上设滑移层或滑动层，利用滑移层使上部结构与基础 之间的解耦，控制结构底部剪力，达到降低结构地震响应的目的，其支座形式有如下几类： 普通滑移支座、回弹滑移支座、滚动支座、支承式摆动隔震支座。 复合基础隔震系统 混合基础隔震是充分利用夹层橡胶垫隔震与滑移隔震在经济和技术上的优点，组成的 基础隔震系统。混合基础隔震一般没有独立的隔震支座，按夹层橡胶垫支座的组合方式， 混合基础隔震可分为并联基础隔震和串联基础隔震。该系统具有良好的变形适应能力，即 隔震层滞回耗能能力可以随地面运动输入的变化而变化 第一章绪论 此外，基础隔震与在隔震层设置主动或半主动控制机构组成的混合控制系统是目前研 究最多的混合控制系统之一。 ( 2 ) 消能减震体系 消能技术是将结构的某些部件设计成耗能构件或安装一些耗能器来消耗振动能量。如 安装粘弹性阻尼器( 利用材料的粘弹性改变结构的能量储备与耗散) 、摩擦阻尼器( 通过摩擦 装置滑动做功) 等。7 0 年代初美国k e l l y 提出了在结构中设置耗能元件金属软刚屈服耗能 器，来耗散本来由结构耗散的能量，这种思想是对结构抗振设计的一个重要发展，并形成 了结构耗能减振的一个重要方向【1 4 】。之后迅速出现了粘滞、摩擦、粘弹性等阻尼器。耗能 阻尼器是利用结构振动产生的位移反馈到耗能阻尼器中，使所设计的结构在运动时，产生 摩擦材料之间的摩擦耗能、材料弹塑性滞变耗能、粘弹性剪切变形耗能和流体的粘滞耗能 等，以达到减小结构的振动响应。目前耗能减振技术是受到入们青睐的一种有效的被动控 制方法。美国纽约世贸大厦就设置了一万多个粘弹性阻尼器，有效的控制了结构的风振响 应。不同的结构耗能技术具有广泛的适用性，同时耗能装置成本低廉、性能可靠。但是需 要装设较多数量耗能装置才能起到有效的减振效果。在工程应用上，北京饭店【”1 的抗震加 固工程中采用了粘滞阻尼器；沈阳市政府大楼1 6 1 抗震加固工程中采用了摩擦阻尼器。 ( 3 ) 调谐质量阻尼振动控制系统o m d ) 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 ) 是目前高层建筑与高耸结构振动 控制中应用最早的结构被动控制装置之一。t m d 系统是在结构上加惯性质量，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。从而达到减小结构 振动响应的目的【 l 。2 0 世- 纪7 0 年代，美国纽约世界贸易大厦中心大楼在顶部安装 3 6 0 吨 的n 佃：美国波士顿6 0 层j o h nh a n c o c k 大楼安装了两个3 0 0 吨的t m d ；澳大利亚悉尼电视 塔在顶部和中部安装了两个t m d 装置【1 8 l 。 t m d 系统的优点1 1 9 】是：i 、对结构功能影响较小；2 、安装简单、方便；3 、维修、更 换容易。 ( 4 ) 调谐液体阻尼振动控制系统o l d ) 调谐液体阻尼器( t u n e dl i q u i dd a m p e r ，简称t l d ) 是装有液体并固定在结构上的刚 性容器，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 的动力响应。t o s h i y u k i 等1 2 0 1 和w a k a | i a r a 等【2 1 i 计算t t l d - - 结构体系在风荷载和谐波荷载 作用下的动力响应，并进行了模型试验，探讨了t l d 的减震作用；2 0 世纪9 0 年代，李宏男 4 第一章绪论 等1 2 2 1 开始了地震作用下亿d 对高层建筑及高耸结构的振动控制研究，同时进行了模拟试 验，取得了一定成果。 t l d 系统相对于1 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。但是t m d 和t l d 只能 对结构的某一振型加以控制，因此，适用范围较窄。 除此以外，结构振动被动控制装置还有质量泵【2 3 】、液压一质量振动控制系统( h m s ) 剀 等。 1 2 2 结构振动主动控制 结构振动主动控制需要实时测量结构响应或环境干扰采用现代控制理论的主动控制 算法在精确的结构模型基础上运算和决策最优控制力，最后作动器在很大的外部能量输入 下实现最优控制力，从而达到减小或抑制结构地震响应的控制方法。结构主动控制的基本 原理如图1 2 所示【2 5 1 。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。 千一彳寸 豳峦豳 一 一 l 一l 一： 控制器 l _ 叫( 计算机：主动、卜。 j 半主动或智能算法) i 图1 - 2 结构主动、半主动与智能控制原理框图 在结构响应观测基础上实现的主动控制称为反馈控制，该控制方法的在线计算量大， 但对系统元件的精度要求不高，具有较高的抗干扰能力；而在结构环境干扰观测基础上实 现的主动控制则称为前馈控制，该方法计算量较小，对系统元件的精度要求较高，抗干扰 能力差。 与被动控制相比，主动控制克服了被动控制系统在控制力输入方面的局限性，主动控 制的控制效率较高，一般可以取德比被动控制更好的控制效果，其所能控制的频率范围也 远远大于被动控制方式。但是由于土木工程结构自重大、动荷载能量也很大，所以主动控 制所需的能量非常巨大，此外，主动控制系统复杂，涉及众多元件，可靠性较低，这些原 第一章绪论 因使主动控制不易实现，其在土木工程中的应用和推广受到很大限制。目前，适合于土木 工程结构研究开发的主动控制装置主要有1 2 6 】： ( 1 ) 主动质量阻尼系统a m d ( a c t i v e m a s s d a m p e r o r a c t i v e m a s s d r i v e r ) 主动质量阻尼控制系统( a m d ) 【2 7 】是在被动调谐质量阻尼器仃m d ) 的基础上，在结构和 系统惯性质量之间通过量测、计算和施加控制力，使它们之间的能量重新分配，以达到减 小结构地震响应的目的【2 引。 1 9 8 9 年，日本k a j i m a 建筑公司在东京建成了世界上第一栋采用a m d 控制的u 层建 筑京桥成和( k y o b a s h is e i w a ) ；c f j j 2 9 1 ，如图1 3 所示，该建筑高3 3 米，是一栋高宽比为8 2 5 的扁形高层钢框架结构。在该建筑物的顶部安装了两个a m d 系统，顶部中层的a m d 质 量为4 吨，用于控制结构的侧向振动：顶层侧部的a m d 系统质量为1 吨，用于控制结构 的扭转振动；两个a m d 系统的总质量约为结构质量的l ，质量块通过吊杆悬挂形成吊 摆，最大行程为l m ，最大控制力仅1 0 吨；在我国，由中国国家自然科学基金委员会和美 国国家科学基金会共同资助的“南京电视塔风振控制” 3 0 i 研究项目，在中方东南大学等单 位和美方数所高校单位的共同合作下，采用a m d 系统对南京电视塔的风振响应实施了主 动控制。南京电视塔也成为国内第一个实施主动控制的建筑，它的完成在国内乃至国际学 术界具有重要影响，同时也为结构控制的研究提供了合适的试验场所。 t i ) k y o b a s h is e i w a 大厦a 瑚d 控制系统图应用a t s 控制系统的试验模型 图i - 3 应用a m d 控制系统的日本k y o b a s h is e i w a 大厦 ( 2 ) 主动拉索控制系统a t s ( a c t i v et e n d o ns y s t e m ) 主动拉索控制系统是由结构上的预应力拉索和连接拉索的电液伺服系统组成的，结构 上安装的传感器将测到的结构响应传给控制器，由控制器算出控制力后通过电液伺服系统 6 第一章绪论 施加给拉索，该系统可以提供横向及扭转的控制力，通过对拉索张力变化的调整达到对结 构施加控制的目的。图1 4 所示的是三层钢框架底层设置液压伺服控制作动器驱动的主动 锚索控制系统模型，该模型结构被很多研究机构采用，并成为结构振动控制的一代 b e n c h m a r k 模型。 此外，主动控制装置还有：主动调谐质量阻尼器a t m d ( a c t i v et u n e dm a s sd a m p e r ) 、 主动斜撑a b s ( a c t i v eb r a c es y s t e m ) 、空气动力挡风板控制系统a d a ( a c t i v ed y n a m i c a p e n d a g e ) 和脉冲发生器p g ( p u l s eg e n e r a t o r ) 等。 近3 0 年来应用和发展起来的、适用于土木工程结构的主动控制算法主要有【3 1 氆1 ：二次 型线性最优控制、独立模态最优控制【3 2 】、极点配置或最优配置【3 3 1 、脉冲控制( 或称反应限 界控制) 、预测最优控制1 3 4 1 、日2 和日。最优控制、滑动模态控制( 或称变结构控制) 、自 适应控制和非线性反馈最优控制等控制算法，最近几年主动智能控制算法的研究也形成了 热潮。 我国目前研究工作基本上是以理论分析、数据模拟为主，并进行了少量的相关试验研 究，主要集中研究主动控制算法和主动控制装置。 1 2 3 结构振动半主动控制 结构半主动控制的原理与结构主动控制的基本相同，只是实旆控制力的作动器需要少 量的能量调节以便使其主动地甚至可以说是巧妙地利用结构振动的往复相对变形或相对 速度，尽可能地实现主动最优控制力。半主动控制方法由传统的力控制发展为参数控制， 这是对结构振动控制理论的一个巨大的推进。相对于主动控制而言，半主动控制更具有可 靠性与鲁棒性，并具有低能耗、易维护，比主动控制更容易实施的优点。其参数控制的可 调性使其具有不错的控制效果，所以半主动控制有较大的研究和应用开发价值。 在半主动控制装置中，目前比较典型的有： ( 1 ) 主动变刚度控制装置a v s ( a c t i v ev a r i a b l es t i f f n e s ss y s t e m ) 主动变刚度控制系统是通过变刚度装置来主动地改变结构的附加刚度，使结构控制系 统的自振频率远离地震等外部干扰的卓越频率，避免结构发生共振，以达到减小结构地震 响应的目的。 1 9 9 0 年，k o b o r i 等人提出了结构主动变刚度控制的概念，研制了主动变刚度控制系统， 并提出了结构主动变刚度非共振控制算法。1 9 9 0 年，日本首次在k a j i m a 研究所【3 5 】的一栋三 7 第一章绪论 层钢结构办公楼上安装了6 套主动变刚度控制系统以提高结构的抗震性能，该建筑已经经 受了中小地震的检验，主动变刚度系统对结构的位移和加速度都显示出了很好的控制效 果。哈尔滨工业大学的刘季、李敏霞和欧进萍等对变刚度半主动结构振动控制的理论与试 验进行了系统的研究，研制开发了足尺的主动变刚度控制装置【3 6 1 。 ( 2 ) 半主动摩擦阻尼器 摩擦阻尼器是一种构造简单的耗能减振装置，己用于国内外多座新建建筑的抗震设计 和已建建筑的抗震加固中。而目前也已经提出了各种利用表面摩擦来耗散结构系统振动能 量的变摩擦装置，a k b a y 、a k t a n t 3 7 。3 8 1 和k a n n a n 等【3 9 1 提出了一种变摩擦控制装置，该装置 通过一摩擦轴与结构的支撑刚性相连，界面摩擦力通过可控的滑移量来调节。我国学者瞿 伟廉等( 4 0 4 1 l 提出了一种半主动摩擦阻尼器，该装置通过调整阻尼器的起滑力来改善被动摩 擦阻尼器的耗能减振性能，并研究了被动及半主动摩擦阻尼器对合肥翡翠电视塔地震响应 的减振效果，结果表明，摩擦阻尼器可以抑制高耸塔结构的地震响应，而半主动摩擦阻尼 器的耗能减振效果明显优于被动摩擦阻尼器。 此外，半主动控制装置中还有主动变阻尼控制装置、可控流体阻尼器等。而近几年才 发展起来以智能材料为基础的智能可调半主动控制装置成为研究的热点。这些智能材料包 括磁流变液( m r f ) 、电流变液( e r f ) 、形状记忆合金( s m a ) 和压电材料等，以它们为材料制 成的智能器件( 如阻尼器、驱动器等) 具有构造简单、调节驱动容易、耗能小、响应迅速的 优点，在结构振动控制领域中具有广阔的应用前景。在这些智能器件中，以磁流变阻尼器 较为突出，磁流变阻尼器是利用磁流变效应制成的阻尼器件，它具有能量消耗低、安全可 靠、快速响应、调节范围宽、温度适应性强、出力大、结构简单和智能连续可调的优点， 后文将做重点阐述。 由于半主动控制的良好控制效果，国内外众多学者对半主动控制进行了研究和实验。 我国近几年有关学者也在这方面进行了大量工作。 1 2 4 结构振动混合控制 结构混合振动控制就是在一个结构上同时用两种( 或以上) 不同的控制系统来控制结 构的振动响应。任何一个控制系统都具有其优点和一定的适用范围，混合控制系统能够将 两种( 或以上) 不同的控制系统结合起来，充分发挥各系统的优点，拓宽控制系统的应用 范围。常用的形式有混合质量阻尼控制系统和混合隔震系统。 第一章绪论 ( 1 ) 混合质量阻尼控制系统