（工程力学专业论文）导管架海洋平台冰激振动控制的实验研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 本文工作是结合国家“十五8 6 3 ”高技术研究发展计划新型平台抗冰振技术项 目( 项目编号：2 0 0 1 a a 6 0 2 0 1 5 ) 完成的。针对我国渤海冰区边际油田的现役抗冰导管架 平台的冰激振动，通过比较不同的减振策略，选择合理、有效、可行的减振装置对现役 平台进行减振控制，并试图通过对柔性抗冰平台的冰激振动减振研究，为大型复杂柔性 结构在环境荷载作用下的振动减振研究提供一套新的思路和途径。本文研究内容主要包 括以下几方面： 第一章介绍了本文研究的背景、意义，对柔性结构在环境荷载作用下的振动及其减 振策略进行概括，主要对柔性抗冰导管架平台的冰激振动及其相关研究现状进行阐述。 第二章以渤海抗冰导管架平台作为研究对象。借助于抗冰平台现场监测对抗冰平台 的结构特点、冰荷载特性以及平台的冰激振动响应特性进行分析，进一步明确了抗冰平 台冰激振动危害以及对抗冰平台采取冰激振动减振措施的必要性。基于现场原型监测的 冰荷载及冰激振动分析是丌展抗冰平台减振的基础。 第三章介绍了当前土木工程应用中较成熟的减振策略，如耗能减振、端部隔振以及 动力吸振等减振策略在海洋平台冰激振动减振中应用的可行性。基于现场原型监测，认 为采用调谐质量阻尼器( t u n e dm a s sd a m p e r t m d ) 对现役抗冰平台进行冰激振动减振是 较优的选择。本章同时对t m d 的参数优化、不同外激励作用下t m d 减振效果进行了 分析。 第四章针对目前土木工程应用中t m d 减振效果无法准确评估的问题，依据t m d 的减振机理并基于t m d 与结构相互作用位置产生对结构的作用力的实质提出的时域相 位分析方法。该方法区别于以往在频域或采用附加阻尼的宏观效果评价方法，为从机理 上研究t m d 减振效果提供了参考。 第五章主要研究t m d 在抗冰平台冰激振动减振中应用的可行性。研制了可应用于 实际抗冰平台减振的大比尺、单向、滑动式t m d 装置，并对该装置的概念设计及详细 设计进行介绍。同时针对该减振装置进行实验研究，建立了一套可对大型复杂结构进行 减振、控振实验研究的半仿真实验系统( s e m i s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lt e s t i n gs y s t e m ) 。 该实验系统由仿真部分和物理部分组成。仿真部分为实测响应数据( 或通过计算机中建 立的数学模型计算得到的结构响应) 通过计算机控制的伺服作动器系统输出；物理部分 为实物减振装置。该实验系统的建立为大型复杂结构的减振、控振实验研究提供了参考， 该系统具有较大的实际工程意义。 第六章介绍了一种用于测试t m d 装置等效作用力的测量方法。t m d 减振机理和要 导管架海洋平台冰激振动控制的实验研究 依靠装置运动过程中对结构产生的作用力，然而针对该作用力的测试和研究还不多。本 章在研究t m d 装置在海洋平台冰激振动减振效果时，提出了一种可以直接测量结构安 装t m d 装置时产生的作用力，并通过实验验证了该等效作用力测试的准确性。利用该 测试系统检验了冰荷载作用下t m d 对抗冰平台减振的减振效果，结果表明t m d 能有 效降低平台的动力响应。 第七章提出了一种用于测量调谐液体阻尼器( t u n e dl i q u i dd a m p e r t l d ) 等效阻尼 力的测试方法。利用该方法可以实时测量t l d 液体水箱晃动过程中对结构产生的作用 力，从而解决了由于液体晃动剧烈时的强烈非线性而无法采用理论计算得到t l d 对结 构作用力计算的难题。为了从机理上研究t l d 的减振效果并为实际应用中t l d 减振效 果评估提供依据，从t l d 基本晃动特性分析出发，对设计制作的小比尺t l d 减振装置 进行共振情况下等效阻尼力的识别。 第八章基于海洋平台结构复杂、某些物理参数不确定等因素，考虑系统参数不确定 性影响的h 控制方法对海洋平台的冰激振动进行主动控制研究。导管架平台动力学模 型的自由度数较多，但研究表明平台的振动主要集中在前几阶模态，甚至是第一阶模态 起主导作用。本文采用模态空间平衡降阶法对平台动力学模型进行降阶，进而构造了h 。 控制器和h 模态观测器，并利用主动质量阻尼器( a c t i v em a s sd a m p e r a m d ) 作为控制装 置对抗冰平台的冰激振动进行仿真分析。 最后，对全文工作进行总结，并提出了需要进一步研究的内容。 关键词：柔性抗冰平台；冰激振动；振动控制；调谐质量阻尼器( t m d ) 调谐液体阻尼 器( t l d ) ；时域相位分析；半仿真实验；等效阻尼力测量；比控制 i i 大连理工大学博士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo ni c e i n du c e dv i b r a t i o nm i t i g a t i o no fj a c k e t o 仟h o r ep l a t f o r m s a b s t r a c t 砸ss t u d yw a sp e r f o r m e du n d e rt h ef i n a n c i a ls u p p o r to ft h en a t i o n a lh i 曲一t e c h r e s e a r c hd e v e l o p m e n tp r o g r a mn a m e dk e yp r o b l e m ss t u d yo ft h en e wi c e - r e s i s t a n t p l a t f o r m ( n o 2 0 0 1 a a 6 0 2 0 15 ) 1 1 1 er e s e a r c hs u b j e c t sa r et h ee x i s t i n gs t e e lj a c k e to f f s h o r e p l a t f o r m si nt h eb o h a is e a , l i a o d o n gg u l f t h em a i ng o a l sa r et of i n dt h eo p t i m a lm i t i g a t i o n s t r a t e g yt or e d u c ei c e i n d u c e dv i b r a t i o n sa n dt op r o v i d et h ei n s t r u c t i v es u g g e s t i o n sf o rt h e o t h e rf l e x i b l es t r u c t u r e sv i b r a t i o nm i t i g a t i o nu n d e re n v i r o n m e n t a l1 0 a d s i ns e c t i o no n e ，as u m m a r yo fv i b r a t i o ni n d u c e db ye n v i r o n m e n t a ll o a d so ff l e x i b l e s t r u c t u r e sa r ep r e s e n t e d ，e s p e c i a l l yf o r t h ei c e r e s i s t a n to f - f s h o r ep l a t f o r m sa sw e l la s s t a t e o f - a r to fi c e i n d u c e dv i b r a t i o n i ns e c t i o nt w o ，a n a l y s i sa r ec o n d u c t e do ni c ef o r c e sf e a t u r e s 、d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f p l a t f o r ma n df e a t u r e so fd y n a m i cd e c kr e s p o n s eo fo f f s h o r ep l a t f o r mb a s e do n f i e l d m e a s u r e m e n t s t h e r e f o r e e f f e c t i v em e a s u r e sh a v et ob ei n t r o d u c e dt or e d u c et h ev i b r a t i o n l e v e ld o w nt oa c c e p t a b l el i m i t s i no t h e r sw o r d s ，f i e l do b s e r v a t i o n sa l et h eb a s i so fc a r r y i n g o u td y n a m i ca n a l y s i sa n di c e i n d u c e dv i b r a t i o no fo f f s h o r ep l a t f o r i l l s i ns e c t i o nt h r e e ，c o m m o n l yu s e dv i b r a t i o nm i t i g a t i o ns t r a t e g i e s ，l i k ev i b r a t i o nd i s s i p a t i o n , t o pi s o l a t i o na n dd y n a m i cv i b r a t i o na b s o r p t i o nt h a th a v ea l r e a d yb e e ni m p l e m e n t e di nc i v i l e n g i n e e r i n ga l ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h eu n d e r s t a n d i n go ff i e l do b s e r v a t i o n s 觞w e l la s c h a r a c t e r i s t i c so fe n v i r o n m e n t a l1 0 a d 。t h eg e o m e t r i cf e a t u r e so fp l a t f o r m s ，f e a t u r e so fd y n a m i c r e s p o n s e ，m i t i g a t i o no b j e e t i v e s ，i ti sb e l i e v e dt h a ta d d i n ga na u x i l i a r yd e v i c ei s a l lo p t i m a l c h o i c e i ns e c t i o nf o u r , b a s e do nt h em e c h a n i s mo ft h et u n e dm a s sd a m p e r ( t m d ) a n dt h ef a c t t h a t 也ei n t e r a c t i o nf o r c eg e n e r a t e db e t w e e nt h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h et m da n ds t r u c t u r e t i m e d o m a i na n dp h a s ea n a l y s i sf o rt h ev i b r a t i o nr e d u c t i o no ft h e 卫m ds y s t e mi sp r e s e n t e d d u et ot h es t o c h a s t i cc h a r a c t e r i s t i co fe n v i r o n m e n t a le x c i t a t i o n 也em o t i o n sb e t w e e nt h e s t r u c t u r ea n dt h et m dc a n n o tl o c ki nw h e no u to fp h a s e c a u s i n gt h es h a r pv i b r a t i o n r e d u c t i o n i no r d e rt oa n a l y z et h ev i b r a t i o nr e d u c t i o no ft h e 彻f r o mt h em e c h a n i s m i ti s c r i t i c a lt oc o n d u c tt h ea n a l y s i sf r o mt h er e l a t i v em o v e m e n tb e t w e e ns t r u c t u r ea n di t s e l f 刀招 i 导管架海洋平台冰激振动控制的实验研究 e v a l u a t i o nc r i t e r i af o rt h ep e r f o r m a n c eo ft h et m da r eg i v e nb a s e do nr e l a t i v em o v e m e n t a n a l y s i sb e t w e e ns 仃1 l c t l l r ea n di t s e l f e x p e r i m e n t a ls t u d ya n ds i m u l a t i o na n a l y s i sc o n d u c t e d d e m o n s t r a t e dt h er e l i a b i l i t yo ft h ep r o p o s e dc r i t e r i a i ns e c t i o nf i v e ，t oi n v e s t i g a t et h ef e a s i b i l i t yt h a tt h et m dc a ni n d e e dm i t i g a t et h e v i b r a t i o n si n d u c e db yi c ef o r c e so no f f s h o r es t e e lj a c k e tp l a t f o r m s ，al a r g es c a l en d e v i c e w a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d 耐mr e s p e c tt oa no f f s h o r eo i lp l a t f o r m l a r g es c a l et e s t i n gi s e x p e n s i v ea n dt h er e q u i r e m e n t sf o rm o d e ls i m i l a r i t yi nm o d e ls c a l et e s t i n ga r eh a r dt om e e t t h u s a l le x p e r i m e n t a lt e c h n i q u et h a tf o c u s e so nt h ec o n t r o ld e v i c ei t s e l fa n de m u l a t e s 也e b e h a v i o ro ft h es t r u c t u r ew i t has i m u l a t o ri sp r e s e n t e d n l i sn o v e le x p e r i m e n t a ls y s t e m c o n s i s t so fav i r t u a lp a r ta n dat a n g i b l ep a r tc a l l e ds e m i - e x p e r i m e n t a lt e s t i n gs y s t e m ( a l s oc a l l b ec a l l e dh y b r i de x p e r i m e n t a lt e s t i n gs y s t e m ) t h ev i r t u a lp a r t si n c l u d es c a l e de x t e r n a ll o a d a n das c a l e ds i m p l i f i e dp l a t f o r mm o d e l 硼1 et a n g i b l ep a r t si n c l u d et h e 耵dd e v i c ea n da m o v i n gt a b l e ，w h i c hi sc o n t r o l l e db yah y d r a u l i ca c t u a t o r i ns e c t i o ns i x t oa s s e s st h ee f f e c t i v e n e s so ft h et m dt om i d g a t ei c e i n d u c e dv i b r a t i o n s o fp l a t f o r m s t h em e t h o do fm e a s u r e m e n to ft h ee q u i v a l e n td a m p i n gf o r c eo ft h e 彻b a s e d o ns e m i s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lt e s t i n gs y s t e mi sp r e s e n t e d 1 1 l ei n t e r a c t i o nf o r c eb e t w e e n t h et m da n dt h e 蛐m c n 】r ec a nb em e a s u r e dd i r e c t l yb yt h i ss y s t e m i nt h i sc h a p t e r , t h e p r i n c i p l ea n dm e t h o dt om e a s u r ef o r c ei si n t r o d u c e d 。砀ef o r c ec o m p a r i s o nb e t w e e n e x p e r i m e n t a l a n dc a l c u l a t e dv a l u e si sm a d eu n d e rs i n u s o i d a l d i s p l a c e m e n ti n p u t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ef o r c em e a s u r e df r o ml o a dc e l li sa l m o s te q u a lt ot h e i n e r t i a lf o r c eo ft h et m d t h e r e f o r e ，t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gt h i ss y s t e mt om e a s u r e e q u i v a l e n td a m p i n gf o r c e so ft h en w a s c o n f i r m e d n l ev i b r a t i o nr e d u c t i o np e r f o r m a n c e o ft h et m dw a sc a r r i e do u tb yi n c o r p o r a t i n gi t se q u i v a l e n td a m p i n gf o r c e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h et m di sq u i t ee f f e c t i v et om i t i g a t ei c e i n d u c e dv i b r a t i o n i ns e c t i o ns e v e n ，t os t u d yt h ep h y s i c a lp r i n c i p l eo ft l d ( t u n e dl i q u i dd a m p e r ) d e v i c e a n dp r o v i d er e f e r e n c e sf o re v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft l d as m a l ls c a l er e c t a n g u l a r t l dd e v i c ew a sm a n u f a c t u r e d am e t h o dt om e a s u r et h ee q u i v a l e n td a m p i n gf o r c eo ft h e t l dd e v i c eb a s e do nt h es e m i s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lt e s t i n gs y s t e mi sp r e s e n t e d h a r m o n i c d i s p l a c e m e n ti n p u tw a su s e dt oi d e n t i f yt h er e s o n a n tf r e q u e n c yo ft h et l d d e v i c e 嬲w e l la s t h ed a m p i n gf o r c e t l 碥e x p e r i m e n t a lf o r c er e s u l t sa g r e ew i t ht h et h e o r e t i c a l s ot h ef e a s i b i l i t y o ft h et e s t i n gs y s t e mw a sv e r i f i e d i ns e c t i o ne i g h t ，i - 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i n d u c e dv i b r a t i o n ；s t r u c t u r a lc o n t r o l ； t u n e dm a s sd a m p e r ( t m d ) t u n e dl i q u i dd a m p e r ( t l d ) ；t i m e d o m a i na n dp h a s e a n a l y s i s ；s e m i - s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lt e s t i n gs y s t e m ；e q u i v a l e n td a m p i n gf o r c e m e a s u r e m e n t ；i kc o n t r o l v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大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了谢意。 作者签名：一日期： 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 j 疋年且月毋 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 摘要：渤海辽东湾的导管架平台属于典型的柔性抗冰结构，平台在冬季服役期内，受海 冰影响会产生较严重的冰激振动问题。如何有效的降低或抑制平台振动响应显得尤为重 要。与传统的通过修改结构设计( 如增加刚度) 的方法降低振动相比，减振控制技术更 经济、更有效而且工程中容易实现。本文基多年现场监测对冰荷载和冰激振动响应分析 的基础上，并借鉴国内外较成熟的减振技术，对渤海抗冰平台冰激振动可能应用的减振 策略进行总结，并对今后的研究和应用提出了建议和展望。最后介绍了本文所完成的主 要工作和各章主要内容。 c h a p t e r1 in t r o d u c t i o n a b s t r a c t ：i c e r e s i s t a n to f f s h o r ep l a t f o r n l sl o c a t e di nt h eb o h a is e ac a r lw i t h s t a n dt h es t a t i c i c ef o r c e h o w e v e r , s u c hs t r u c t u r e sm a ys u f f e ri c e - i n d u c e dv i b r a t i o n su n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s a sar e s u l to fi n t e r a c t i o nw i t hm o v i n gi c es h e e t s t h ec o n v e n t i o n a lw a yt or e d u c ei c e - i n d u c e d v i b r a t i o n sc a nu s u a l l yb er e a l i z e db yi n c r e a s i n gt h es t i f f n e s ss o a st os h i f tt h en a t u r a l f r e q u e n c ya w a yf r o mt h er e s o n a t i n go ff r e q u e n c i e s h o w e v e r , t h i sa p p r o a c hi sg e n e r a l l y c o s i l yr e q u i r i n ge x c e s s i v ec o n s t r u c t i o nm a t e r i a l i nc o m p a r i s o nt ot h ec o n v e n t i o n a lw a yt o a d dm o r es t e e lt ot h es t r u c t u r em a k i n gi tm o r er i 西d ，t h ea l t e r n a t i v ea p p r o a c hi st oi m p l e m e n t 也e s t r u c t u r a lc o n t r o lm e t h o d s b a s e do nl o n g t e r mf i e l do b s e r v a t i o na n du n d e r s t a n d i n gt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e ni c ea n ds t r u c t u r e ，s o m ep o p u l a rm e t h o d sc u r r e n t l yi nu s e ，o rp r o p o s e d ，f o r s u p p r e s s i n go fi c e - i n d u c e dv i b r a t i o n sa r ep r e s e n t e d i na d d i t i o n ，t h es u g g e s t i o n so nf u r t h e r r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n so ft h es t r u c t u r a lv i b r a t i o nm i t i g a t i o nm e t h o d sf o ro f f s h o r ep l a t f o r m s a r ed i s c u s s e d f i n a l l y 也em a i nc o n t r i b u t i o n sa n do u t l i n e so f t h i sd i s s e r t a t i o na l ei n t r o d u c e d 导管架海洋平台冰激振动控制的实验研究 1 1 研究背景与选题依据 土木工程结构在服役期内不可避免的经受各种环境荷载的作用，工程上比较关心的 作用于结构的环境荷载主要分为两种：一种是作用在结构上的最大静荷载，另一种是作 用在结构上随时间变化的交变荷载。确定了结构的最大静荷载就可以确定结构需要具备 多大的静刚度以及强度，保证结构的安全，即不被推倒。而结构的动荷载会导致振动， 振动过大则会引起结构疲劳、设备失效及人员舒适感问题。特别是近些年来，大型复杂 土木工程结构正在向着高耸、大跨、轻质和高强的方向发展，结构变得较柔。对于这些 大型柔性结构，通常可以满足强度要求，即满足极端静荷载作用下的安全问题，然而动 荷载作用下结构的动力响应过大，使得振动问题得到了更多的关注。 在海洋资源的开发中，海洋工程结构受风、波浪、水流、地震等环境荷载的影响， 处于结冰区海域的结构还要受海冰的作用。研究及实际观测表明，在多数结冰海域，海 冰对海洋工程结构的影响要远比波浪和风的影响大得多，冰荷载也成为冰区海洋工程设 计的控制荷载。在历史上，由于对冰荷载及冰激振动问题认识不足，曾经发生过多起海 洋结构被海冰破坏的事故【l 训，其中多起由于冰激振动导致结构失效，库克湾的海洋平 台【4 5 1 ，芬兰湾的灯塔【6 8 】都发生过剧烈的冰激振动。近年来，我国渤海油气平台冰激振 动问题更加突出，实际监测发现，冰连续作用引起的结构的剧烈振动，不仅影响平台工 作人员的安全和舒适性，也直接影响到生产和作业，同时，长期的冰激振动会导致结构 的疲劳累计损伤进而导致结构的抗力衰减，甚至还会引起结构因抗力不足而失效。相关 报告显示平台摇晃剧烈，文件柜移位，桌上碗筷落地，观测人员感到有危险1 9 】，；冰 激振动还导致平台上部设施失效，例如，2 0 0 0 年强烈的冰激振动导致j z 2 0 。2m s w 平 台的一个放空管断裂，一个法兰松动，使得高压天然气喷出，险些造成重大事故【l 们。渤 海油气平台的冰激振动引起的事故引起了石油公司、设计部门以及科研机构的高度重 视，为了保障现役海洋平台的安全运行及预防新建平台的冰激振动，有必要采取积极有 效的措施降低平台的冰激振动。 降低或抑制结构振动可以通过修改设计，如增加刚度的措施来实现，然而对结构进 行设计修改也很难避开环境荷载的主导频率，而且增加刚度也会造成经济性差、适应性 欠佳等问题，此外，对现役工程结构，修改设计很难实施。因此，需要寻找一种安全、 经济、适应性佳( 即不会改变结构动力特性又能降低结构动力响应) 的减振体系，减振 控制方法应运而生。 中国海洋石油总公司对冰荷载及抗冰结构的冰激振动展开了系统研究。在“九五 期间，中海石油总公司、黄河水利委员会、松花江水利委员会联合资助了国家自然科学 基金重点项目“河冰和海冰生消、危害及其防护问题研究 。该课题对渤海海冰生消、 2 大连理工大学博士学位论文 漂移规律以及冰荷载进行了系统的研究。随后在“十五”期间，中海石油研究中心联合 大连理工大学、中国科学院力学所、天津大学和哈尔滨工业大学等科研高校单位开展了 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 一“渤海大油田勘探开发关键技术重大专项”， 本文研究工作就是结合该项目中的子课题“新型平台抗冰振技术”( 2 0 0 1 a a 6 0 2 0 1 5 ) 展开 的：基于多年对海洋平台的现场观测数据分析以及冰荷载的研究成果，针对冰激振动对 结构的影响，对导管架海洋平台的冰激振动进行减振控制研究，本文旨在为现役与新建 抗冰柔性结构振动问题提供解决策略，为保证冰区海洋油气资源开发建设提供安全保 障。 1 2 结构振动控制研究进展 结构振动控制( 简称结构控制) 是指在工程结构特定部位，设置某种控制装置或附加 某种子系统，被动或主动的施加一组作用于主结构的力，用以减轻或抑制动力荷载所引 起的结构响应，来满足结构的安全性，使用性和舒适性的要求。自美籍华人姚治平( j t p y a o ) 于1 9 7 2 年提出土木工程结构振动控制概念【l l 】以来，经过广大科学家和工程师的不 断努力，结构振动控制的研究从理论分析、试验研究到工程应用等方面都取得了长足的 发展，目前已经成为结构工程中一个十分活跃的领域。g w h o u s n e r t l 2 j 等1 0 位科学家 在1 9 9 7 年对结构控制的历史和现状做了全面的总结和展望，并指出未来的十年将是结 构控制的十年，标志着结构控制将进入一个崭新的阶段。振动控制技术综合了结构动力 学、机械工程、控制理论、计算机技术、新材料、结构监测和数据分析等学科的最新研 究成果和技术，因此又是一门新兴的交叉学科。 振动控制发展至今，已经成为传统结构设计的一个有力辅助工具，使设计思想从仅 仅靠增加结构构件的刚度来抵抗外荷载作用即以刚克刚的方法，逐步转变为以以 柔克刚并通过以减为途径的方法来降低结构在动荷载作用下影响。也可以做如下 理解：即在同样的造价下，通过在结构上附加控制装胃，吸收或者耗散外荷载输入结构 的能量，来降低主结构的振动。采用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，振动控制技术往往能够得到造价更低的设计方案。 结构控制的研究内容主要为减振装置的研究以及主动控制算法的研究，而作为减振 作用的施力单元，减振装置的研究非常重要。结构振动控制技术根据所采取的控制措施 是否需要外部能源可分为：被动控制、主动控制、混合及半主动控制【1 3 1 ，以下将对这些 技术中常用到的装置以及发展趋势予以评述，对主动控制系统中的控制算法做简要介 绍。 导管架海洋平台冰激振动控制的实验研究 1 2 1 被动控制技术 被动控制是无需能源供给的控制，控制系统如图1 1 所示，其对受控结构的控制力 是被动控制装置随结构一起振动产生的，被动控制其实质是通过附加装置采用隔振、耗 能和吸振等技术来减小结构的能量，达到减振的目的。被动控制因其构造简单、造价低、 易于维护且无需外界能源支持等优点而引起了广泛的关注，并成为当前应用开发的热 点。许多被动控制技术已日趋成熟，并已在实际工程中应用。被动控制技术分为隔振、 耗能减振以及动力吸振。 囤 臣匦 】正 - 囤 图1 1 被动控制系统 f i g 1 1b l o c kd i a g r a mo ft h es t r u c t u r a lp a s s i v ec o n t r o l ( 1 ) 隔振技术棚 基础隔振技术是国内外研究和应用最早的被动控制方法，其减振原理是通过在上部 结构与基础之间安置适当的抑制振动的装置，阻碍隔阻激励向结构的传递，增大结构的 自振周期，避开结构的卓越频率，同时增加结构的阻尼，降低结构响应。基底隔震( 振) 技术中应用较广泛的隔振装置主要有：叠层橡胶隔振支座，铅锌橡胶隔振支座，基底滑 移隔振支座等。基础隔振能显著降低结构的自振频率，适用于短周期的中低层建筑和刚 性结构，对高层建筑不太适用。目前隔振技术已经得到广泛应用，同时将隔振层设置在 结构的不同部位又将这一技术发展到了层间隔振以及端部隔振【l5 1 ，尤其是端部隔振技 术，对需要减振的平台上部组块工作区域设备及仪器运行的海洋工程结构是个较好的选 择。 ( 2 ) 耗能减振技术 耗能减振技术是通过在结构上设置阻尼器，结构在外荷载作用下振动时，耗能装置 通过剪切变形，金属屈服滞回特性，流体穿过孔隙耗散掉结构能量。耗能减振装置 主要有：金属屈服阻尼器，摩擦阻尼器，粘滞( 粘弹性) 阻尼器等。耗能减振装置一般 需要较大的相对变形，对安装位置敏感。安装在具有较大相对位移处才能充分发挥消能 减振作用，因此，对于在外荷载作用下相对位移较小的的结构，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一金属软刚屈服耗能器，来耗散本