（工程力学专业论文）混合调协质量阻尼器抗风抗震性能及最优位置的研究.pdf

西北工业大学硕上学位论文 摘要 本文首先对土建结构控制的研究方法进行了系统的分析， 然后对h t m d 混合控 制系统的设计进行了研究分析， 最后， 针对于控制器在被控结构的最优位置问题 应用整数规划法对h t m d混合控制系统进行了研究。 本文第一部分对建筑结构控制的理论基础、 结构控制的特性及仃务、 结构控 制的研究力法等进行了较深入的分析研究， 并对己有的建筑结构控制理论控制方 法及其_ 程应用情况进行了系统的分析整理。 本文第二部分对h t m d混合控制系统进行了系统的研究. 首先从力学的模型 出发， 推导出其运动的状态方程， 并进一步得到了控制工程中通用的标准状态方 程， 进而完成了 瞬时闭环最优控制器的设计;然后，本文对h t m d 混合控制系统应 用m a t l a b仿真分析的方法， 对各个理论结果进行了仿真分析。 本文最后一 部分针对建筑物中不可能把控制装备置于结构的任意位置， 控制 装备位置变量是离散变量的特性， 用0 -1 规划的隐枚举法研究土木工程结构控制 装备最优位置问 题， 并通过数值计算研究 1栋高层房屋在模拟风荷载激励下的此 类问题的解法。最后应用m a t l a b语言对该理论进行了仿真分析结果表明方法是 收敛可行的。 关键词: 建筑结构 0 一1 规划 混合控制 隐枚举法 抗震抗风瞬时闭环最优控制 西北一 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t h i s p a p e r t h e r e s e a r c h m e t h o d s o f c i v i l s t r u c t u r a l c o n t r o l a r e d i s c u s s e d a n d t h e d e s i g n i n g o f h t m d c o n t r o l s y s t e m f o r t h e s t r u c t u r e u n d e r s e i s m a n d w i n d d e v e l o p e d , i s p r e s e n t e d . a n d t h e n a m a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n g m e t h o d b y c o n s i d e r i n g t h e o p t i m a l p l a c e m e n t o f h y b r i d t u n e d m a s s m p e r a s a g e n e r a l 0 - 1 p r o g r a m m i n g p r o b l e m a n d s o l v i n g i t b y i m p l i c i t sa 。id e n u m e r a ti o n . s o m e f o u n d a t i o n i s s u e s a b o u t c i v i l s t r u c t u r a l c o n t r o l c o n s i s t e d o f t h e t h e o r y f o u n d a t i o n , t h e c h a r a c t e r i s t i c s , t h e f u n c t i o n a n d t h e s t u d y m e t h o d s a r e d i s c u s s e d , a n d t h e n t h e k n o w n t h e o r i e s a n d m e t h o d s , a s w e l l a s t h e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s o f t h e m a r e a n a l y z e d . t h e i it m id c o n t r o l s y s t e m i s i n v e s t i g a t e d i n t h e s e c o n d p a r t o f t h i s p a p e r . t h e d y n a m i c e q u a t i o n s o f h t m d c o n t r o l s y s t e m a r e d e r i v e d f r o m t h e m e c h a n i c a l m o d e l , a n d t h e s t a n d a r d s t a t e e q u a t i o n i s o b t a i n e d . a n d t h e n t h e c o n t r o l l e r o f t h e s y s t e m i s d e s i g n e d e m p l o y i n g i n s t a n t a n e o u s o p t i m a l t h e o r y . i n a d d i t i o n , t h e s i m u l a t i v e f o r c e i s f o r m e d u s i n g t h e m a t l a b l a n g u a g e . a l l t h e t h e o r i e s a b o v e a r e v a l i d a t e d t h r o u g h m a t l a b s i m u l a t i o n s u b s e q u e n t l y . i n t h e e n d o f t h i s p a p e r , a m a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n g m e t h o d i s d e v e l o p e d , b y c o n s i d e r i n g t h e o p t i m a l p l a c e m e n t o f h y b r i d t u n e d m a s s d a m p e r a s a g e n e r a l 0 - 1 p r o g r a m m i n g p r o b l e m a n d s o l v i n g i t b y i m p l i c i t e n u m e r a t i o n . t h e p r o b l e m c a n b e s o l v e d w i t h c o n t r o l o v e r o n e m o d e w h e n s t r u c t u r e i s p r i m a r i l y i n f l u e n c e d b y t h i s m o d e o r o v e r m u l t i p l e m o d e s w h e n m o r e m o d e s n e e d t o b e c o n s i d e r e d . k e y w o r d s : c i v i l s t r u c t u r e ; h y b r i d c o n t r o l ; r e s i s t a n c e t o e a r t h q u a k e a n d w i n d s l o a d s 工 n s t a n t a n e o u s o p t i m a l c o n t r o l ;0 - l p r o g r a m m i n g ; i m p l i c i t e n u m e r a t i o n 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一节 引言 建筑结构抗击动荷载 ( 主要是抗震、 抗风) 设计， 一直是结构设计最重要的 一部分。 最早的结构动荷载设计方法主要是以“ 抗” 为主，即通过增加结构构件 的界面尺寸、 配筋等参数来增加结构的整体强度， 来抵抗动荷载作用。 但是这种 方法很快便暴露出了其弊端: 即当 增强结构强度的同时不可避免地也增加了结构 的刚度， 这样就导致了更大的动荷载作用， 更大的动荷载作用需要更强的结构强 度去抵抗， 进而需要更大的结构尺寸或配筋因此使设计进入了 个恶性循环 的状态。 在这种情况下， 产生了传统的结构设计方法， 它主要采取了“ 延性结构 体系” 的设计思想， 即适当的控制结构物的刚度， 改增加结构主要构件 ( 柱、 梁、 节点等) 强度为增加其延性， 使其在动荷载作用下进入非弹性状态， 这样就可以 消耗地震能量， 减轻结构动荷载反应， 达到“ 裂而不倒”的效果。 我国设计规范 卜 著名的“ 强柱弱梁”、“ 强剪弱弯”、“ 强节点弱构件” 等“ 三强三弱”原则 便是在延性设计的思想下产生的， 它们不仅为我国几代结构工作者所熟知， 而且 在我国结构工程工作中发挥了重要的 作用。 同最早的设计方法相比， 延性设计方 法己 经带有了对能量进行 “ 疏导”的思想，因此它具有一定的科学性 但是结构延性设计并没有从根本_ l 解决结构动荷载设计问 题， 并且在实践中 其局限性也不断地暴露出来。 首先， 虽然 “ 裂而不倒”的设计效果可以使建筑遭 受大的冲击荷载后， 产生较大的延性， 即产生较大响应后破损但不坍塌， 从而保 证了建筑物内人员生命安全， 但由于建筑结构变形并没有得到很好的抑制， 加之 局部的延性设计， 因此建筑内部的装饰及一些昂贵仪器、 设备将遭到更加严重的 破坏， 这些损失往往也是非常巨大的; 另外，当 建筑的某些构件产生较大的裂损 后， 它的后期修复工作十分困难， 很多时候是不可能的， 因此残存的建筑结构只 能进行报废处理， 这也是这种设计思想的不足之处; 况且， 在建筑实践中， 有些 时候建筑即使产生较小的破裂都是不允许，的比如些有重要纪念意义的政治 性、 历史性建筑和核电站、 化工厂等可能带来巨大污染的工业建筑等， 这些建筑 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一节 引言 建筑结构抗击动荷载 ( 主要是抗震、 抗风) 设计， 一直是结构设计最重要的 一部分。 最早的结构动荷载设计方法主要是以“ 抗” 为主，即通过增加结构构件 的界面尺寸、 配筋等参数来增加结构的整体强度， 来抵抗动荷载作用。 但是这种 方法很快便暴露出了其弊端: 即当 增强结构强度的同时不可避免地也增加了结构 的刚度， 这样就导致了更大的动荷载作用， 更大的动荷载作用需要更强的结构强 度去抵抗， 进而需要更大的结构尺寸或配筋因此使设计进入了 个恶性循环 的状态。 在这种情况下， 产生了传统的结构设计方法， 它主要采取了“ 延性结构 体系” 的设计思想， 即适当的控制结构物的刚度， 改增加结构主要构件 ( 柱、 梁、 节点等) 强度为增加其延性， 使其在动荷载作用下进入非弹性状态， 这样就可以 消耗地震能量， 减轻结构动荷载反应， 达到“ 裂而不倒”的效果。 我国设计规范 卜 著名的“ 强柱弱梁”、“ 强剪弱弯”、“ 强节点弱构件” 等“ 三强三弱”原则 便是在延性设计的思想下产生的， 它们不仅为我国几代结构工作者所熟知， 而且 在我国结构工程工作中发挥了重要的 作用。 同最早的设计方法相比， 延性设计方 法己 经带有了对能量进行 “ 疏导”的思想，因此它具有一定的科学性 但是结构延性设计并没有从根本_ l 解决结构动荷载设计问 题， 并且在实践中 其局限性也不断地暴露出来。 首先， 虽然 “ 裂而不倒”的设计效果可以使建筑遭 受大的冲击荷载后， 产生较大的延性， 即产生较大响应后破损但不坍塌， 从而保 证了建筑物内人员生命安全， 但由于建筑结构变形并没有得到很好的抑制， 加之 局部的延性设计， 因此建筑内部的装饰及一些昂贵仪器、 设备将遭到更加严重的 破坏， 这些损失往往也是非常巨大的; 另外，当 建筑的某些构件产生较大的裂损 后， 它的后期修复工作十分困难， 很多时候是不可能的， 因此残存的建筑结构只 能进行报废处理， 这也是这种设计思想的不足之处; 况且， 在建筑实践中， 有些 时候建筑即使产生较小的破裂都是不允许，的比如些有重要纪念意义的政治 性、 历史性建筑和核电站、 化工厂等可能带来巨大污染的工业建筑等， 这些建筑 西北工业大学硕士学位论文 结构即使产生 较小的破裂， 其危害 都是相当巨大的 川 【 “ 。 以i 几 传统的结构设计方法己经从能量科学角度， 提出了能量耗散的概念， 但 由 于其本质仍处于被动的将能量在结构本身主要构件中 进行耗散， 因此必然带来 结构卞要构件的破坏， ilk l 而带来了以上局限性。 十是， 人们很自 然的想到了 能否 通过其它途径，在不破坏结构主要构件的情况下将这一部分能量耗散呢?十是， 结构工作者便在结构上加上了各种各样的附属构件， 通过附属构件的破坏来耗散 能量、 或利用构件间正常摩擦耗散能量、 或将这 一 部分能量在附属结构的运动中 进行耗散， 进而保护结构主要构件， 这便是被动控制的思想， 这些方法也是被动 控制中己经非常常见的方法。 进入结构被动控制时期， 人们己经能够通过能量传 输的整个过程对结构抗击动荷载进行科学的、 整体的分析处理。 而在实际中人们 首先想到的是如何使尽可能少的能量在地震过程中传入建筑结构， 这便是隔振的 思想， 隔振也属于 结构被动控制的一 种控制方法， 而且是最先出现的被动控制方 法 之 一 l21 。 今天， 结构被动控制的各种方法己 经在世界各地的土建工程中进行广泛的应 川， 理论上相对比较成熟了。 但建筑结构被动控制方法仍没有在实质上改变结构 设计的被动状态， 加之作用于土建结构动荷载往往随机性强、 能量巨大且频带较 宽， 而结构被动控制不能随着建筑结构遭受动荷载后的响应进行机动调整， 因此 其 有效 频域 较窄， 这限 制了 它 在实践应 用中的 作用a 。 因 此， 在结 构被动控制产 生后不久， 结构工作者便试图将控制有关理论引入结构控制领域， 从而在控制实 施中， 能够根据外荷载或结构响应情况进行有关计算， 主动的对结构输入定的 控制能量，这就是主动控制的思想。结构主动控制思想克服了被动控制的不足， 并从根本上改变了结构控制的 被动状态，使结构设计进入了 个全新的水平。 众所周知，土建结构不同于其它结构形式，它 一 般是体积庞大、质量巨大， 因此在进行结构卞动控制时， 需要的主动控制力往往是 十 分巨大的， 这需要很大 的经济投入，而且有时是难以实现的，这是结构主动控制面临的关键问 题之 一 。 结构被动控制虽然有其局限性，但这一点却优于主动控制，它 不需要能量输入， 而且一般可以提供较大控制力。 于是很自 然， 便产生了 将二者优点结合的半主动 控制和混合控制。 由于半主动控制和混合控制结合了结构主动控制和被动控制的 优点， 并且更符合结构工程实践的要求， 因此最近几年， 它们愈来愈受到结构控 西北工业大学硕士学位论文 制研究丁 作者的 重视， 并且取得了 很多 研究成果叫 。 结构控制的各种思想开拓了结构设计研究的 个新的领域， 由于它在设计观 念上明显优十结构设计的传统方法， 因此自 从它产生以来发展就 分迅速， 并且 其可行性也己经过了许多实践工程的验证。 在建筑结构向着大尺度、 高柔度的方 向发展的今天， 结构控制作为更先进的科学技术手段， 将是解决大尺度、 高柔的 特性下产生过大响应的最好途径。 因此结构控制的研究， 特别是结构半主动控制 和混合控制的研究也变得越来越有意义。 第二节 本文的工作及其意义 一 、国内 外建筑结构控制研究的新形势 国外结构控制研究始于上个世纪七十年代，并且一直保持非常活跃的状态 lx 1 近 儿 年 ，由 于 建 筑结 构 被 动 控 制 研 究已 经 相 对比 较 成 熟， 加 之 其 本身 带 有 的 _e 程应用有效性局限， 国外对于结构被动控制的研究呈减少的趋势。 研究较多的 是结构卞动控制、 半主动控制和混合控制， 其中由于混合控制结合了主动控制和 被动控制的优势、 避免了两者的不足， 因此更加符合实践工程的需求， 因此越来 越受到国 外结 构控制工作者的 重 视41 。 在国内， 土建结构控制研究走过了近二 卜 年的时间， 也取得了 许多研究成果， 并将部分成果应用到了结构控制工程实践中。 il i u u l f 1 w 近一些年，国内 对十结 构控制研究方向与国外出现了差异， 国内 许多学术期刊的研究成果中很大一部分 工作仍围绕着被动控制上， 另外一部分则是对主动控制算法进行研究， 而对新兴 的结构混合控制的研究较少，更缺乏对于一种混合控制系统较全面系统的研究。 另外， 虽然常用的控制方法在理论研究中取得了一定的成功， 但是它们都是 基于假设的土建结构精确数学模型的基础上， 而这一点很显然和土建结构的实际 是很不一致的。 引 众所周知， 土建结构是尺度庞大、高阶且表现为非线性的结构 体系， 其动力荷载体系复杂且表现出 强烈的随机性和不确定性， 很难建立精确的 数学模型。 另外， 在使用寿命过程中， 土建结构由于不可避免的外部环境的影响， 其很多重要参数都将发生很明显的变化， 而且这些变化对于控制结构的有效性影 西北工业大学硕士学位论文 制研究丁 作者的 重视， 并且取得了 很多 研究成果叫 。 结构控制的各种思想开拓了结构设计研究的 个新的领域， 由于它在设计观 念上明显优十结构设计的传统方法， 因此自 从它产生以来发展就 分迅速， 并且 其可行性也己经过了许多实践工程的验证。 在建筑结构向着大尺度、 高柔度的方 向发展的今天， 结构控制作为更先进的科学技术手段， 将是解决大尺度、 高柔的 特性下产生过大响应的最好途径。 因此结构控制的研究， 特别是结构半主动控制 和混合控制的研究也变得越来越有意义。 第二节 本文的工作及其意义 一 、国内 外建筑结构控制研究的新形势 国外结构控制研究始于上个世纪七十年代，并且一直保持非常活跃的状态 lx 1 近 儿 年 ，由 于 建 筑结 构 被 动 控 制 研 究已 经 相 对比 较 成 熟， 加 之 其 本身 带 有 的 _e 程应用有效性局限， 国外对于结构被动控制的研究呈减少的趋势。 研究较多的 是结构卞动控制、 半主动控制和混合控制， 其中由于混合控制结合了主动控制和 被动控制的优势、 避免了两者的不足， 因此更加符合实践工程的需求， 因此越来 越受到国 外结 构控制工作者的 重 视41 。 在国内， 土建结构控制研究走过了近二 卜 年的时间， 也取得了 许多研究成果， 并将部分成果应用到了结构控制工程实践中。 il i u u l f 1 w 近一些年，国内 对十结 构控制研究方向与国外出现了差异， 国内 许多学术期刊的研究成果中很大一部分 工作仍围绕着被动控制上， 另外一部分则是对主动控制算法进行研究， 而对新兴 的结构混合控制的研究较少，更缺乏对于一种混合控制系统较全面系统的研究。 另外， 虽然常用的控制方法在理论研究中取得了一定的成功， 但是它们都是 基于假设的土建结构精确数学模型的基础上， 而这一点很显然和土建结构的实际 是很不一致的。 引 众所周知， 土建结构是尺度庞大、高阶且表现为非线性的结构 体系， 其动力荷载体系复杂且表现出 强烈的随机性和不确定性， 很难建立精确的 数学模型。 另外， 在使用寿命过程中， 土建结构由于不可避免的外部环境的影响， 其很多重要参数都将发生很明显的变化， 而且这些变化对于控制结构的有效性影 西北工业大学硕士学位论文 响是不容忽视的。 另方面， 在结构抗震设计或结构控制设计中， 为了尽量降低 最后的模型阶数， 都采用了 高阶振形忽略的方法， 这无疑也带来了土建结构模型 的误差 在建筑结构控制中，主动控制和被动控制各有其利弊而且恰好是互为利弊 的。 混合控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点， .己 既可以通过被 动控制系统大量耗散振动能量又可以利用主动控制系统来保证控制效果。 我们在 运用这种混合控制设备进实施结构控制时，总希望将控制装备置于其最优位置， 关于 控制装备在受控结构上的最优位置是结构控制系统设计必须解决的问题之 一，也是一个重要的理论问题。 在研究土木结构控制问题时， 由于结构本身的特点， 不可能把控制装备置于 结构的仃意位置，控制装备位置变量是离散变量，使问题的求解变得复杂困难。 文献 3 m能控度概念研究了土木工程结构控制力最优位置， 文献 4 用数学规划 法研究此类问题。 二、 本文的研究内容 首先， 本文第部分对以 往发表于国内 外学术刊物的结构控制研究工作成果 进行了较全面的总结整理和分析。 对于结构控制研究的理论基础、 结构控制研究 的发展、 结构控制研究方法， 以及现有的结构被动控制、 主动控制、 半主动控制、 混合控制的各种控制途径及其应用进行了 较系统和深入的分析。 这些内容是作者 论文前期对十建筑结构控制全面的 学习， 除了 展示了已 有研究成果外， 也 加进了 作者本人一些思考和分析以及理论推导工作， 因此将其整理成文放在本文的第 - 部分。 基于前面的分析， 本文的第二部分对一种混合控制系统进行了较全面系统的 分析。由于h t m d混合控制系统力学关系较其它的混合控制系统更加明晰，更 利于对混合控制系统中主动控制与被动控制本质关系进行研究， 更重要的是h t m d 混合控制系统装置并不复杂， 而且适于对于已 有建筑结构进行后期追加控制， 因 此具有很强的可实施胜和工程应用前景，因此本文选择了!3 t m d混合控制系统作 为研究对象。 水亨对h t m d馄合控制系统，从力学的模型出发，推导出其运动状态方程， 西北工业大学硕 卜 学位论文 并进步得到了控制工程通用的标准状态方程。 本文分析了瞬时最优控制理论应 用于结构控制的合理性， 并完成了该系统的瞬时闭环最优控制器的设计。 本文对 h t m d i r 合控制系统应用m a t l a b仿真分析的方法， 对各个理论结果进行了仿真分 析，从而直观地证实了控制器的良 好控制效果。 本文最后一部分针对建筑物中不可能把控制装备置于结构的任意位置， 控制 装备位置变量是离散变量的 特性， 用0 -1 规划的隐枚举法研究土木工程结构控制 装备最优位置问题， 并通过数值计算研究一栋高层房屋在模拟风荷载激励下的此 类问题的解法。最后应用m a t l a b语言对该理论进行了仿真分析结果表明方法是 收敛可行的。 三 、本文工作的意义 1 . 本文总结了以往结构控制研究工作的成果， 对于结构控制研究的现状和研 究方法进行了系统深入的整理分析， 这对于作者以后的研究t作奠定了 理论基 础， 也为想较快了 解建筑结构控制研究现状和方法的人都提供了较全面深入的专 业资料。 2在现有的国内结构研究中，还未见对于结构混合控制系统全面系统的研究 工作，本文对于建筑结构h t m d混合控制系进行了较全面的研究，对于结构混合 控制研究和工程实践应用都具有一定的实际意义。 3我们在运用这种混合控制设备实施结构控制时，总希望将控制装备置于其最 优位置， 关十控制装备在受控结构上的最优位置是结构控制系统设计必须解决的 问题之一，也是 一 个重要的理论问题。 西北工业大学硕士学位论文 第二章 建筑结构振动控制综述 第一节 建筑结构控制的理论依据及特点 建筑结构抗震设计一 直是结构设计的 个关键性问题， 随着近些年来大量的 高 层、 超高 层 建筑的兴建， 抗风设 计也越来越被人们所关 注s e ; z v l除此以 外， 建筑结构物还可能遭受来自 于外界环境 ( 如铁路、 交通等) 和外界破坏 ( 如爆破、 袭击等)的冲击载荷作用。总之，实践告诉人们，建筑物很少是在正常使用情况 下由于静荷载作用而坍塌、 破坏的， 相反绝大部分是由于突然施加的冲击荷载的 作用造成的 传统的 建筑抗震设计， 主要是通过建筑物自 身的 加固、 加强来抵御外来冲击 荷载的。 这种设计方法实质上还是一种校验设计， 即假定外来的冲击荷载的大小， 然后验证在这样的 荷载下结构是否满 足安 全性要求at l 然而，即 使我们的 荷载 假设再大也不能保证在实际中不被突破， 更何况结构地震、 风振荷载都具有很强 的随机性。 建筑结构控制方法却不同， 因为所有的建筑结构控制方法都是随着响 应的变化而即时地发挥控制作用的， 因此当更大的结构响应出现时， 控制体就会 产生更大的 控制输入。 另外， 更为先进的主动控制方法可以 跟踪建筑结构的响应 和外荷载来实时地计算、 施加最优的控制力。 于是结构控制方法突破了传统结构 设计方法的局限，相应的结构的安全度也增加了。 一、建筑结构控制的理论依据 从能量理论角度分析， 当外界冲击荷载作用于结构时， 其实质就是将一定的 破坏性能量输入结构体， 根据能量守恒定理， 如果不加以 控制， 这一部分能量必 将导致结构的破坏而得以释放。 但如果我们控制了 这 一部分能量流向， 便会处于 主动的地位: 一种方法， 我们可以 控制能量的来源， 也就是切断或减少外荷载能 源传入的途径， 使尽可能少的能量进入结构体， 这就是隔振的思想依据; 另一 种 力法， 我们可以 从能量的去向 上思考， 即 在结构体内引 入 些附属结构， 使这一 部分能量最大限度地在这些附属结构上得以 耗散， 这样， 根据能量守恒定理， 作 西北工业大学硕士学位论文 第二章 建筑结构振动控制综述 第一节 建筑结构控制的理论依据及特点 建筑结构抗震设计一 直是结构设计的 个关键性问题， 随着近些年来大量的 高 层、 超高 层 建筑的兴建， 抗风设 计也越来越被人们所关 注s e ; z v l除此以 外， 建筑结构物还可能遭受来自 于外界环境 ( 如铁路、 交通等) 和外界破坏 ( 如爆破、 袭击等)的冲击载荷作用。总之，实践告诉人们，建筑物很少是在正常使用情况 下由于静荷载作用而坍塌、 破坏的， 相反绝大部分是由于突然施加的冲击荷载的 作用造成的 传统的 建筑抗震设计， 主要是通过建筑物自 身的 加固、 加强来抵御外来冲击 荷载的。 这种设计方法实质上还是一种校验设计， 即假定外来的冲击荷载的大小， 然后验证在这样的 荷载下结构是否满 足安 全性要求at l 然而，即 使我们的 荷载 假设再大也不能保证在实际中不被突破， 更何况结构地震、 风振荷载都具有很强 的随机性。 建筑结构控制方法却不同， 因为所有的建筑结构控制方法都是随着响 应的变化而即时地发挥控制作用的， 因此当更大的结构响应出现时， 控制体就会 产生更大的 控制输入。 另外， 更为先进的主动控制方法可以 跟踪建筑结构的响应 和外荷载来实时地计算、 施加最优的控制力。 于是结构控制方法突破了传统结构 设计方法的局限，相应的结构的安全度也增加了。 一、建筑结构控制的理论依据 从能量理论角度分析， 当外界冲击荷载作用于结构时， 其实质就是将一定的 破坏性能量输入结构体， 根据能量守恒定理， 如果不加以 控制， 这一部分能量必 将导致结构的破坏而得以释放。 但如果我们控制了 这 一部分能量流向， 便会处于 主动的地位: 一种方法， 我们可以 控制能量的来源， 也就是切断或减少外荷载能 源传入的途径， 使尽可能少的能量进入结构体， 这就是隔振的思想依据; 另一 种 力法， 我们可以 从能量的去向 上思考， 即 在结构体内引 入 些附属结构， 使这一 部分能量最大限度地在这些附属结构上得以 耗散， 这样， 根据能量守恒定理， 作 西北工业人学硕士学位论文 用于主结构的能量就得到了相应的减小， 这也就是结构被动控制的思想实质。 另 外我们还可以从力学角度去分析， 当一个结构体遭受外来动荷载作用时， 为了让 结构不因过大的应变而破坏， 一种方法是提高结构的强度， 承受住外来荷载的最 大值，也就保证了结构的安全性， 这是早期的结构抗震设计方法:另 一 种方法， 我们可以考虑给结构主动的施加个与外来冲击荷载的相反的作用力， 这样就能 够减小结构的应变甚至于使结构应变为零。 不过， 外来荷载是时刻变化的， 这就 要求建立 个系统对外载和结构应变进行跟踪反馈， 相应计算施加一定大小卞 动 力作用，这就是主动控制的思想。 以_ ! 我们从能量角度和力学角度分析了建筑结构控制的理论依据， 下面我们 将引入建筑结构数学模型，对其进行更进一步的说明。 理论上， 无论我们分析的建筑结构本身有多复杂， 我们都可以把它分解抽象 为下面的动力学模型: 立 级 钻 十c a r 十 k t = ( z . u 式中 ， :为结构振动响 应量， m、c , k:分别是结构的 质量 / 阻尼和刚度矩 阵; f为外来冲击荷载。 对于 动力学方程( 2 . 1 ) ， 结构 控制的h 的 就是要 减小结构振动响应 x及其 有限阶导数值，而控制途径就围绕着方程的阻尼和刚度系数g k 以 及外力 f (一 般情况下建筑的质量是不能改变的)。于是就产生了以下途径: ( 1 ) 减小外来动力值f : 控制振源或隔振。 ( 2 ) 引入辅助系统，增加结构的阻尼系数c ; 粘弹性阻尼器控制 采用各种 摩擦、伺服耗能元件)。 ( 3 ) 改变刚度系数k值;各种变刚度控制。 除了以上的方法外，根据力学分析结果，还可以在方程的右端引入 一 个外 加 作 用 力 项 r ( ( t ) ， 即 将 方 程 ( a ) 演 变 为 : 1w 十 c y 十 k t 二 f十 44 ( f ) ( 2 .2 ) 使得右端的合力项减小，进而减小结构的响应，这第四种方法便属于主动 控制方法。 需要说明的是， 这几种方法并不是完全孤立的， 各种控制力法都可以 建立反 西北工业大学硕士学位论文 馈系统， 进而引入主动控制的方法， 成为半主动控制、 主动控制也经常与 其它被 动控制结合使用， 构成各种混合控制。 一个建筑体也不 一 定只使用 f ill控制方式 理论和实践都已证实，各种控制力 一 法的综合使用往往可以获得更好的控制效果 二、土木结构控制的特点 由于土建结构不同十其它结构体系，具有体积大、质量大及其动荷载随机 性强等特点， 这导致了 土建结构的 控制不同 于其它机械结构控制， 具有很多 特殊 的性质，它们包括以下几个方面: 1 ) 结构: 几乎没有主要振形的复 杂系 统， 表现为非线性。 很难用准确的 数 学模型加以 描述， 而且在结构使用寿命中，由于很多原因， 其模型参数变化非常 大。 ( 2) 动荷载: 建筑结构使用过程中的主要动力荷载为风荷载和地震荷载， 这 两种荷载共同的特点是: 突发性强、 随机性大， 风荷载的频带很宽; 地震荷载瞬 时值非常大。 它们几乎都无法准确地进行预测估计， 也很难进行实时的跟踪测量。 ( 3 ) 传感器:相对与建筑体积的庞大，建筑结构控制一般采用很少的传感 器和驱动设备，可以测量的反应变量也是非常有限的。 4 ) 驱动器:由于建筑宏观体积质量的庞大，加之其外来冲击荷载的巨大 ( 强风和地震)， 建筑控制中往往需要非常巨大的控制力;另一 方面，由于其外 荷载的巨大可以导致结构应变瞬间达到极限值， 而且强风和地震荷载都是高频变 化的， 这就要求建筑控制的输入力驱动器必须是高速的， 而且要根据建筑的外荷 载及其响应做出快速机敏的反应，否则结构控制便失去了意义。 ( 5 ) 控制日的:建筑结构控制的总体目 的就是减少指定的最大反应， 如建 筑顶端最大位移、 最大速度和加速度，以 及层间 位移、 层间加速度等。 但是建筑 控制结构口 前还不可能同时完成这些任务， 况且有些指标之间在理论上本身就是 相互制约的。 因此， 在控制的实施过程中， 就需要考虑以哪些控制指标为主， 这 就带来了 控制目的的不明确性。 6 ) 控制的方法:从以上论述不难看出，建筑结构控制需要的首先是一种 强大但又有容错能力的控制方法， 只有控制力足够大才能完成其控制 11 1 的， 只有 具有容错能力才会在建筑模型产生误差或模型参数产生变化时仍保持其预定的 西北工业大学硕士学位论文 控制效果。 但另一方面， 建筑设计本身在保证安全性、实用性的纂础 仁 ，还要考 虑经济性因素。 如果最终的控制力法过于复杂， 并需要很多的经济投入， 便有些 得不偿失了。 况且建筑结构本身粗犷的环境， 过于复杂精密的控制方法不见得能 发挥其作川。 因此， 建筑结构控制需要的控制方法既要具备强有力、 有容错能力 的特点，又要简单、易实现。这就为建筑结构控制工作提出了新的要求。 第二节 建筑结构控制的任务和实现途径 一、 结构控制的任务 首先， 从理论上讲控制结构一 旦被引入建筑结构， 它便属于建筑结构设计的 一 部分， 因此， 建筑设计对结构安全性、 使用性和舒适性的要求也就是结构控制 的总体任务。 可以说结构控制设计的任务就是协助结构完成建筑设计对结构的这 些要求， 并且在结构抗振设计不能达到或不便达到这些要求的情况下， 结构控制 设计借助于自 身的 优势代替结构完成这一任务。 从建筑结构设计的方法可以看出， 结构设计的主要依据是作用于建筑各种荷 载， 包括建筑自 重以及正常使用时的静荷载和来自 外界各种各样的动荷载作用。 结构控制主要任务是保证结构在动荷载作用下的安全性、 使用性和舒适性。 因此， 结构控制设计针对的是结构的动荷载，总体来讲， 建筑承受的动荷载包括: 破坏 性荷载 ( 如地震、 强风、 人为爆破袭击等)引起的结构振动:周围环境 ( 如地面 铁路、 交通等) 引起的结构振动; 使用时结构的内 源 ( 如机械振动等) 引起的结 构振动。 建筑结构控制的任务就是有效的抑制或减弱这些动力荷载引起的结构振 动，以确保建筑结构的安全性、使用性和舒适性的要求。 ( 1 ) 结构的安全性 无论是传统的结构抗震设计还是结构控制设计， 都要保证结构的安全性。 但 是， 既使日 前， 结构传统抗震设计实际上还只是一种校核和验证， 即对于给定尺 寸的结构， 给定预测的地震作用大小， 验证结构是否满足强度和变形要求。 即使 考虑了结构抗震构造措施的作用， 也是在假定的地震作用的条件下考虑的。 由于 f ib . 震 ly , r h生是未知的， 一旦实际发生的地震烈度大于假设的地震烈度， 则结构就 西北工业大学硕士学位论文 控制效果。 但另一方面， 建筑设计本身在保证安全性、实用性的纂础 仁 ，还要考 虑经济性因素。 如果最终的控制力法过于复杂， 并需要很多的经济投入， 便有些 得不偿失了。 况且建筑结构本身粗犷的环境， 过于复杂精密的控制方法不见得能 发挥其作川。 因此， 建筑结构控制需要的控制方法既要具备强有力、 有容错能力 的特点，又要简单、易实现。这就为建筑结构控制工作提出了新的要求。 第二节 建筑结构控制的任务和实现途径 一、 结构控制的任务 首先， 从理论上讲控制结构一 旦被引入建筑结构， 它便属于建筑结构设计的 一 部分， 因此， 建筑设计对结构安全性、 使用性和舒适性的要求也就是结构控制 的总体任务。 可以说结构控制设计的任务就是协助结构完成建筑设计对结构的这 些要求， 并且在结构抗振设计不能达到或不便达到这些要求的情况下， 结构控制 设计借助于自 身的 优势代替结构完成这一任务。 从建筑结构设计的方法可以看出， 结构设计的主要依据是作用于建筑各种荷 载， 包括建筑自 重以及正常使用时的静荷载和来自 外界各种各样的动荷载作用。 结构控制主要任务是保证结构在动荷载作用下的安全性、 使用性和舒适性。 因此， 结构控制设计针对的是结构的动荷载，总体来讲， 建筑承受的动荷载包括: 破坏 性荷载 ( 如地震、 强风、 人为爆破袭击等)引起的结构振动:周围环境 ( 如地面 铁路、 交通等) 引起的结构振动; 使用时结构的内 源 ( 如机械振动等) 引起的结 构振动。 建筑结构控制的任务就是有效的抑制或减弱这些动力荷载引起的结构振 动，以确保建筑结构的安全性、使用性和舒适性的要求。 ( 1 ) 结构的安全性 无论是传统的结构抗震设计还是结构控制设计， 都要保证结构的安全性。 但 是， 既使日 前， 结构传统抗震设计实际上还只是一种校核和验证， 即对于给定尺 寸的结构， 给定预测的地震作用大小， 验证结构是否满足强度和变形要求。 即使 考虑了结构抗震构造措施的作用， 也是在假定的地震作用的条件下考虑的。 由于 f ib . 震 ly , r h生是未知的， 一旦实际发生的地震烈度大于假设的地震烈度， 则结构就 西北工业大学硕 卜 学位论文 难以达到预定的安全度， 所以即使建筑进行了抗震设计， 在大的地震来临时仍有 大量的房屋倒塌。 另外， 一 种建筑的主要动荷载一 一风荷载也同样是不可预测的 虽然正常的风荷载作用并没可怕， 但在多风区， 特别是沿海城市， 经常遭受强风 的袭击，众所周知的，几年前我国台湾省遭受的台风灾难就是 一 个实例。然而， 建筑控制结构不同，由于系统内预先己经安装了耗能系统、 辅助系统，因此， 即 使发生了比预定设防烈度高的强烈地震，这些系统也能率先发挥作用: 将能量耗 散、 转移， 或瞬时提供与 结构运动方向相反的作用力效应， 有效的抑制或减小结 构的振动。因此，结构控制设计比传统的结构抗振设计具有更高的安全度。 ( 2 )结构的使用性 对于 一 些特殊的建筑， 比如: 历史性和纪念性建筑、 政治性建筑、 装有考古文 物的博物馆， 这些建筑的价值不仅仅是建筑本身， 而且代表着更广泛的意义或藏 有更昂贵的物品。因此这些建筑在地震和强风作用下， 不能有任何破坏。另外一 些建筑， 如核电站、 室内 装有精密仪器的建筑等， 它们的破坏可能导致更大的危 险， 或者过大的振动会导致室内仪器的破坏、 失效、 无法使用， 都会造成更大的 损失。 人 类 记 录的 地震的 最 大 加 速 度 峰 值己 高 达i .o g - 2 .0 g 7 ，历 史 上的 强台 风、 龙卷风的巨大破坏性， 使得传统的抗振设计很难保证上面的建筑不遭受任何破坏 的要求。 而且， 众多的历史性、 纪念性、 政治性建筑都是已有的历史较长的建筑， 不仅结构设计无能为力， 其它结构加固措施也很难在保证建筑原貌的基础上达到 抗震要求。 这些不足， 恰好是结构控制的优势所在， 也为它提供了更大的应用空 问。除此以 外，结构使用要求还包括在振害发生时，些生命线工程， 如交通、 电力、医院、消防、 通讯等重要的 救灾部门的仪器、设备等均应保证正常使用， 以 保证可能的灾难后救援工作的顺利进行。 ( 3 ) 结构的舒适度 过大的结构变形和激烈的结构振动， 往往使建筑无法正常使用和居住， 原因 是人们在其内 会感到一种很大危险感， 或带来一种压力和身体上的不适， 这些都 是建筑物舒适度设计的范畴。 特别是近些年来， 众多高层、 超高层建筑的大量建 造， 使得这一问 题更加突出。因为这些摩天大楼，由于其高悬殊的宽比， 而且为 了 满足强度设计， 大多数属于较柔的体系， 也就是说在较大的风荷载作用下， 这 些结构不会产生破坏， 但却不可避免的使顶层产生较大的位移， 此类建筑的舒适 西北工业大学硕 一 学位论文 性问题变得越来越难以解决，对于这一问题传统的结构设计方法显得无能为力， 因此，结构控制为解决这些问题提供了新的途径。 二、 结构控制实现途径 在对结构进行控制设计之前， 首先要对受控对象有一个总体的了解分析， 完 成控制水平的预测、控制方法的选择等关键环节的预期，其过程下: 结构控制设计首先要确定振源的位置， 激励的特性 ( 简谐性、 周期性、 窄带 随机性或宽带随机性)， 振动特性 ( 受迫性、自 激性或参激性) 等，因为不同性 质的振源引起的振动， 其解决的方法也不同; 然后要确定衡量振动水平的量及其 指标， 这些量可以是位移、 速度、 加速度或应力等， 也可以是其最大值或均方根 值; 确定振动控制的方法就是根据实际情况选择下面的结构控制的具体措施: 完 成以上的环节以后就可以进行建筑结构控制的分析设计了， 进一步的结构分析包 括建立力学模型、 选择振动控制算法、 进行振动控制仿真分析、以 及对控制装置 参数进行优化设计等川 。 从建筑结构控制的机理出发，结构控制主要是采取以 下措施实现: ( 1 ) 控制振动的振源 对十建筑的主要动荷载风荷载、 地震荷载这样的随机荷载而言， 控制振 源是十分困难的， 甚至是不可能的。 主要通过适当的选择建筑场地， 合理的布置 结构的形式、 方式等途径加以 考虑， 如尽可能的 避免多震区， 尽可能避免建筑长 轴面向大风向等。 但是， 对于己有的建筑物来说，口 前还没有有效的控制振源的 途径19 1 ( 2 ) 切断振源的传播途径 这是隔振的思想， 这种方法是在建筑与地基之间设置 一 层具有足够可靠性的 “ 隔振层” ， 以切断或抑制地震波向上部结构传递的路径或改变传递方式， 使上 1 5 西北工业大学硕士学位论文 部结构在地震作用下只作近乎平动。 此外， 还可以利f t 断层沟壑等方式改变地震 波的传播方向 , 叫【， 了 。 ( 3 ) 避免结构共振 这种方法是通过修改被控对象的动力学特性参数使振动满足预定的要求。 这 些参数包括对象的质量、 刚度、 阻尼特性等， 通过改变这些参数可以改变结构的 固有周期， 使得其避开振动的共振区，已 达到减震的目 的。 此外还可以 利用结构 或构件滞回曲线的非线性化， 实现避免结构共振的日的。 对于建筑结构控制而言， 其地震荷载频率多集中于高频区， 在抗震设计中己 经考虑了这一点， 但风荷载的 频带 分布较宽，因 此很难 避开3 3 c 4 ) 提高结构的衰减性 就是常说的阻尼减震方法， 在受控对象上附加阻尼器或阻尼兀件， 通过消耗 能量而使主结构响应减小。 方法之一是采用粘弹性阻尼器、 摩擦阻尼器、 弹塑rl 耗能元件等来消耗结构的能量; 方法之二是采用辅助系统， 将结构能量的一部分 转移到辅助系统中，使辅助系统先破坏，在辅助系统中耗散能量。 ( 5 ) 实施加与 结构运动相反的作用力 这是主动控制的设计思想。这种方法就是利用传感器实时监测结构的响应 通过计算机的