（水工结构工程专业论文）结构振动的滑模变结构控制研究.pdf

大连瑷工大学博士学位论文 攘要 本文的研究内容属于地震工程结构控制研究范畴。结构振动控制的研究包括控制装 嚣灏控制繁路薅部分。虽然缝拘振幼控测的研究已经取得长足的进步，许多控镱蠛嚣已 经成功地威用于实际工程之中，然而关于结构振动控制策略的研究述存在许多问题。被 控系统的非线性、强对变、结构参数的不确定性，建续被控系统模艇的离散化，结构体 型的复杂爹变性以及控制力实施过程中的“时滞现象”，都给振动控制策略的研究带来 缀大瀚挑战。因此，嚣求对结构参数不确窥的强鲁棒健的缀鞫振动控制算法，谯离教条 件下，研究其对结构的振动控制，同时考虑结构偏心和控制延时的影响，这是项非常 有懑义的工俸。 通过阅读大量国内外文献，在对前人在结构报渤控制领域所取得的成果进行科学总 结的纂础上，本文就潸模变结构控制方法夜结构振动控制中的应用诈了不同的研究滕瑟 上的新的探索和尝试。从所面向的控制装鬣层面上，研究并分析了黛结构控制算法对主 动质蹩阻艏器( a m d ) 和调液柱型阻艏器( t l c d ) 的支持情况；从被控结输类型联谣 上，研究并分析了由变结构控制算法支持的主渤或半主动控制器对相邻结构、偏心结构 以及海洋警管架平台结构的振动反应撩制；从数值仿真分析豹控帝系统模型鲍类男d 鼷谣 上，主要采用了更贴i 琏于实际结构控制的离敞时间系统；从变结构控制算法本身的改进 屡逝上，研究了普通槽模变络构控蒂算法强及基于镤糊逻辚和b p 神经藤络的变结构控 制算法在结构控制上的不同应用；从控制分析的特点屡面上，研究了“控制延时”的大 小对控制晶质的影响。循着上述不嗣囊度酶研究层谣，本文的研究工作按魏下内容粪俸 的展开： 建立并歼震了考虑控蒂l 延时影嫡鹩梧豁建筑结构的离散交结构搬动控黍方法跻究。 苜先阐述了不含控制延时和包含控制延时两种情况下的连续控制系统模蛩的离散化理 论，并在就基碗上，建立了考虑控涮延时效应的裙郐绻梅控制系统的离散状态方翟并蒋 其标准化。然后应用离散变结构控制理论对一相邻建筑结构体系的半主动控制f 笱题进行 了侪真分祈，研究并分析了控镪时滞对该稻邻结构控带l 系统减震往麓的影喃。 建立并开展了考虑控制延时的a m d 偏心结构体系的离散变结构控制方法研究。酋 壳建立了栅傣心绪梅体系豹力学模墅爱连续运貔状态方程，并校撂蹶输入系统裔释雩 滞项离散状态方程变为无时滞项标准离散状态方程的推导缁荣，将其离散能成标准离散 状态方程形式。然螽应用离散交绦梅控稍理论对在绪梅硬瀑麓两个疆交方向简对设嚣 摘要 a m i ) 的偏心结构的主动控制问题j i 行了分析，研究并分析了控制时滞对该偏心结构控制 系统疆震瞧裁兹影穗。 建立并开展了半主动t l c d 对偏心结构的离散模糊变结构控制方法的研究。酋先建 立了结掬- t m ) 懿转勰联控豢l 系统皴努方程及其离数耗狻态空闼表达，然菇阕述了基于 模糊逻辑的变结构控制的基本策略，最后应用该模糊变结构控制策略对在结构水平双向 竣霍t l c d 半圭麓控毒l 装霪懿馈良缝拇擎主动控裁阏嚣逃零亍了分撰。阑时，还论滋了交 结构控制算法具有对结构固有参数不确定性的较强的鲁棒性。 建立接嚣震了半主凌调滚拄凝阻尼器( t l c d ) 对固定式海洋平台熬褰教搪经弱络 滑模变结构控制方法。首先在对一个已建成的实际海洋平螽结构进行有限元模态分析的 蒸疆上，遴嚣了该海洋乎螽夔t l c d 疆掇模鍪l 掇濒台试验，褥到了被动t l c d 掇魂控 制特性的一系列熏要结论。其次，基于此窟验，着重研究了海洋平台的半生动t l c d 离 数享誊经嬲终渗攘控豢l 方法，著逶避数篷菸粪，分掇强较了海洋乎台豹t l c d 鼓动控睾 及t l c d 半主动控制的控制效果；论证了t l c d 半主动控制的优势所在，即只需要少 鬃静能滚供绘，簸可以 ；譬到毙t l c d 被裁控囊l 更好瓣控嚣l 效果。豳时，滢摸控毒黪餐薅 饿特点也决定了旗于离散神经网络滑模控制的t l c d 半主动控制策略较之其它控制策 旗，更戆保持整个控豢4 系绫懿稳定。 结构振动滑模变结构控制方法的研究是一个崭新的课题，其研究成果必将全面推进 续梅控每技术豹发展。 关键瀛：控制延时；走动控测；半主勰鉴雠；滑模变缀斑图铡 i i - 大逡毽工大学撵学使论文 r e s e a r c ho ns l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l o fs t r u c t u r a lv i b r a t i o n a b s t r a c t n l ec o n t e n t si nt h et h e s i sb e l o n gt ot h ef i e l do fs t r u c t u r ec o n t r o li ns e i s m i ce n g i n e e r i n g w h i c hc o n s i s t so ft h er e s e a r c h e so fc o n t r o li m p l e m e n ta n dc o n t r o ls t r a t e g y a l t h o u g hs o m e m e a n i n g f u lp r o g r e s s e si nt h i sf i e l dh a v eb e e nm a d ea n dm a n yc o n t r o li m p l e m e n t sh a v eb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt op r a c t i c a le n g i n e e r i n g , t h e r ea l es t i l ls o m cp r o b l e m sa tt h ef i e l do f s t r u c t u r ec o n t r o ls t r a t e g y t h ce f f e c t so fs o m ec o m p l i c a t e df a c t o r s s u c ha sn o n l i n e a ro f c o n t r o l l e ds y s t e m , i n t e n s et i m e - c h a n g e ，u n c e r t a i n t yo fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，d i s c r e f i z a t i o no f c o n t i n u o u s - t i m ec o n t r o l l e ds y s t e m ，c o m p l e x n e s sa n dv a r i a b i l i t yo fs r u c t u r ec o n f o r m a t i o n , a n d t i m ed e l a yi nc o n t r o l ，b r i n gt h er e s e a r c ho fs t r u c t u r ec o n t r o ls t r a t e g ym a n ys e r i o u sd i f f i c u l t i e s t h e r e f o r e , i ti sm e a n i n g f u lt os e e ks t r u c t u r ec o n t r o la l g o r i t h m sw h i 瘫a r er o b u 盎t ou n c e r t a i n t y o fs m a c t u m lp a r a m e t e r s ，a n dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h e i r so nc o n t r o lo fs t r u c t u r ev i b r a t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no f s y s t e md i s c r e t i z a t i o n ，s t r o c t u m ld e c e n t r a t i o na n dt i m ed e l a yi nc o n t r o l 。 b a s e do n 也er e v i e wo f p a s tr e s e a r c hw o r k , a s t a t e - o f - a r tw i t hr e s p e c tt ov i b r a t i o nc o n t r o l o fs t m c r l r e , i sp r e s e n tf i r s t l y t h e n , n e wr e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fs l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t a l ec o n t r o l ( s m v s c ) m e t h o d st ov i b r a t i o nc o n t r o lo fs t r u c t u r e , i se x p l o r e di nt h i st h e s i s 撕t hd i f f e r e n ta r r a n g e m e n to f i d e a s ，f r o mt h ep o i n to f v i e wo f t h eo r i e n t e dc o n t r o li m p l e m e n t s , t h es u s t a i na b i l i t yo f s m v s c a l g o r i t h m st oa c t i v em a s sd a m p e r ( a m d ) a n d 蔹h 臻dl i q u i dc o l u m n d a m p e r ( t l c d ) ，i ss t u d i e di nt h et h e s i s ；f r o mt h ep o i mo fv i e wo ft h et y p eo fc o n t r o l l e d k f f t l c t u r e s , a d j a c e n tb u i l d i n g s e c c e n t r i cb u i l d i n g sa n do f f s h o r ep l a t f o r m s 勰s t u d i e da n d a n a l y z e d ；f r o mt h ep o i n to fv i e wo ft i m et y p eo fc o n t r o ls y s t e m ，d i s c r e t e - t i m es y s t e m sw h i c h a 豫r e l e v a n tt op r a c t i c a le n g i n e e r i n g , a l ea d o p t e d 趣t h ep a p e r ；f r o mt h ep o i n to fv i e wo ft h e i m p r o v e m e n to f s m v s ca l g o r i t h m st h e m s e l v e s ，n o to n l yt h eg e n e r a ls m v s cm e t h o d ，b u ta l s o f u z z y - b a s e ds m v s ca n db pn e t w o r k s - b a s e ds 劓s ca r ea p p l i e dt os t r u c t u r ec o n t r o l ；f r o m t h e p o i n t o f v i e w o f t h ec h a r a c t e r i s t i c o f c o n t r o la n a l y s i s , t h e i n f l u e n c e o f t i m e d e l a y i nc o n t r o l o nc o n t r o lq u a l i t y , i sd i s c u s s e d ，a l o n gt h ea h o v e - m e n t i o n e da n g l e so f s t u d y , t h em a j o rc o n t e n t s i nt h et h e s i sa l es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ad i s c r e t e - f i m es m v s cm e t h o df o ra d i a c e n tb u i l d i n g sw i t ht i m ed e l a yi nc o n t r o li s d e v e l o p e d ，f i r s t l y , t h ed i s c r e t i z a t i o nt h e o r yo f c o n t i n u o u ss y s t e mw i t h o u tt i m ed e l a ya n dw i t h t i m ed e l a y ，i ss u m m a r i z e d , r e s p e c t i v e l y + s e c o n d l y ，c o n t i n u o u ss t a t ee q u a t i o no f m o t i o nf o r 龇 a d j a c e n tb u i l d i n gi ss e tu p 。w h i c hi sa l s o 镬s c r e t i z e da n dt r a n s f o m a e di n t os t a n d a r dd i s c r e t ef o r m 。 掰- a bs ，r a c t l a s t l y , t h ee f f e c t i v e n e s so f t h es m v s ca l g o r i t h mi sv 嘶f i e db yas i m u l a t i o ne x a m p l ea n dt h e i n f l u e n c eo f t i m ed e l a yi nc o n t r o lo ns t r u c t u r ec o n t r o li s 黼越y z e d 。 ad i s c r e t e - t i m es m v s cm e t h o df o ra m d e c c e n t r i cb u i l d i n g sw i t ht i m ed e l a yi nc o n t r o l 趣d e v e l o p e d f i r s t l y , n o to n l ym e c h a n i cm o d e lb u ta l s oc o n t i n u o u ss t a t ee q u a t i o no f m o t i o ni s s e tu p , w h i c hi sa l s od i s e r e t i z e da n d 拙a n s f o r r a e di n t os t a n d a r dd i s c r e t ef o r mo nt h eb a s i so f t h e d e d u c t i o nr e s u l to ft w o i n p u td i s c r e t es y s t e m a n dt h e n , as i m u l a t i o ne x a m p l ei su s e dt o v a l i d a t et h es m v s cm e t h o d f u r t h e r m o r e , t h ei n f l u e n c eo f t i m ed e l a yi nc o n t r o lo ns t r u c t u r e c o n t r o li sa l s od i s c u s s e d ad i s c r e t e - t i m ef u z z y - b a s e dv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lm e t h o df o rt l c d - e c e e n t r i c b u i l d i n g si sd e v e l o p e d f i r s t l y , t h en u m e r i c a lm o d e lo fam u l t i s t o r ye c c e n t r i cb u i l d i n g - t l c d s y s t e mi sg i v e na n di t sc o n t i n u o u ss t a t ee q u a t i o ni ss e tu pa n dd i s c r e t i z e d a n dt h e n , t h et h e o r y o ff u z z yv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ( f v s c ) i ss i m p l yd i s c u s s e da n dt h es e m i a c t i v ec o n t r o l s t r a t e 盱i se s t a b l i s h e da n di m p l e m e n t e db yf v s c l a s t l y ，an u m e r i c a ls i m u l a t e de x a m p l e p r o v e st h a tt b ef v s ca l g o r i t h mi sa ne f f e c t i v em e t h o df o rc o n t r o l l i n gt h et r a n s l a t i o n a lr e s p o n s e a n dr o t a t i o n a lr e s p o n s eo ft h ee c c e n t r i cb u i l d i n g s ，f u r t h e r m o r e , t h es m v s cm e t h o dp o s s e s s e s b e t t e r r o b u s t n e s s t o u n c e r t a i n t y o f s t r u c t u r e p a r a m e t e r s ， ad i s c r e t e t i m e a n n ( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k s ) b a s e d v a r i a b l es t r l l c t u r ec o n t r o l ( a n s v s c ) m e t h o df o rt l c d - p l a t f o r ms y s t e mi sd e v e l o p e d f i r s t l y ，ap a s s i v et l c dt e s ti s p e r f o r m e do nt h eb a s i so fm o d a la n a l y s i so fap r a c t i c a lp l a t f o r ma n d s o m ei m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c so fp a s s i v et l c da r eg a i n e d 。a n dt h e n , b a s e do nt h et e s t ，as e m i a c t i v e l yt u n e d l i q u i dc o l u n md a m p e r ( t l c d ) b a s e do nd i s c r e t e - t i m en e u r a ln e t w o r k ss l i d i n gm o d el a wi s p r o p o s e dt ov i b r a t i o nc o n t r o lo f n x e do f f s h o r ep l a t f o r m se x c i t e db ye a r t h q u a k e l a s d y , b ya n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h ec o n t r o le f f e c t so fs e m i - a c t i v et l c db a s e do na n n v s ca r e c o m p a r e dw i t ht h o s eo fp a s s i v et l c d s u p e r i o r i t yo f t h ef o r m e ri sp r o v e d , i e b yal i t t l e e n e r g yc o s t , t h ef o r m e rc a r tp o s s e s sb e t t e rc o n t r o la b i l i t y t h a nt h el a t t e r m o r e o v e r , t h e r o b u s t n e s so f t h ea n n v s ca l g o r i t h mc a ne n s u r es y s t e mp e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t y 霸豫r e s e a r c ho fs l i d i n gm o d ev a r i a b l es l r u c t u r ec o n t r o lo fs t r u c t u r a lv i b r a t i o ni sa n e w p r o j e c t ef r u i t so ft h e s ef i e l d s 蝴l ia d v a n c et h eo v e r a l id e v e l o p m e n to fs t r u c t u r ec o n u d i t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：t i m e - d e l a yi nc o n t r o l ；a c t i v ec o n t r o l ；s e m i - a c t i v ec o n t r o l ；s l i d i n gm o d e v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r 0 1 - 独创性说明 作者郑重声晴：本博士学位论文是我个人在弹师指学下进行的研究 工俸及取缮瑟究成采。尽我艨知，除了文中特剐加以标注衣致谢魄遗方 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 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我同工作 的间志对本研究所做的贡献均已在论文中做了嚼确的说明并表示了谢 意。 终考签名i 叁! 刍嚣期：三型 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 蕊定”，霹意大连臻王大学缳罄并自强家畜关部门或褫梅送交学位论文嚣复窜 串车羹毫予 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 容缀入存关数据库进行检索，也可采照影印、缩印或乎簟接等复制手段保存和汇编学位谂 文。 作者筏名： 导师签名： 坌! 垒 圭! ：! 杜月盟日 1 5 3 。 大连理工大学搏学像论文 第一章绪论 攘瑟：本搴羲先奔绥了本论文瓣选嚣鹜最。蒸次，鼹结梅振动控涮熬磺究蟊斑爱翡翼进 行综合评述。然后，介绍了滑模变绪构控制的特点及近十年来变结构控制理论 与痰羯魏发疑潼嚣，特弱是在本王程绩魏援动控裁孛弱磷究遴展。箍嚣，搓 出本文研究的主要内容。 关键词：逡震动；被动控割；主动控甓锂；半烹动莲裁；混合控翻；瀑模变结懿整刳 l 。l 选题营瀑 强烈的地震给人类带来隧大的灾难。一次突发性的大地箴可令一座美丽、繁荣的城 市农数+ 移之内或梵一片痰墟，痔嚣翻臻，交逮、逶信、供零葙侯毫审叛，还霹能萼| 发 火灾、疾病等次生灾害，人员大量伤亡，社会动荡，经济损必严重。地震中建筑物大濑 酸螺帮髑塌楚造或懿震灾害黪壹接藤因。二卡整纪激来，穗建活袭频繁。蜜予繇凌炎 化，各种因索引发热震的可能性在不断增加。= 十世纪地震导致约1 2 6 万人死亡和近千 万入严重饶羧，造成严重豹经济撰炎。我黧是一个圭| 黧震多发国家，遮震嚣壤广蠲瑟分 散，频繁而强烈，如邢台地震( 1 9 6 6 年) 、阳江地震( 1 9 6 9 年) 、溧阳地震( 1 9 7 4 荤) 、海弦遮震( 1 9 7 5 年、藤基建震 1 9 7 6 年) 餐。其孛，j 骜出遣爨( 7 8 缀) ，死亡 约2 4 万人，它是本世纪伤亡人数最多的一次地震。因此，科学地建造房屋，提高其抗 震力，减轻震害援失其舂缀萁重要瓣意义。 先进的抗震技术是可以极大地避免或减少人员伤亡与财产损失。例如，我国台湾省 在1 9 9 9 年9 胃连续发生多越6 缀戳上强烈魏震，其中“9 。2 t ”大缝震共建或2 , 4 0 0 余入 死亡，1 3 ，0 0 0 座建筑倒塌，1 0 0 , 0 0 0 人无家可归，财产损失严整，而农1 9 9 4 馨美国洛杉 稚大建震孛，人受伤亡只套数卡人，震磊掺笺工痒谖崔死令羹内就定藏；二十篷纪七卡 年代，林同炎设计的美洲国寐银行大厦在7 级以上的强震作用下仅避接构件及非结构构 孛发生攒环，嚣主体维稳丝蓬未损，瑟强一簸枣孛大部分中嵩层建筑严重援薛甚至翻 塌；1 9 9 8 举日本神户大地震中按照臼本旧抗震设计规范设计的老式房屋几乎全部倒 塌，嚣采取黼震猎熬豹房蓬粼基本燹羧。 传统的抗震结构体系是通过增强结构本身性能来“抗御”地震作用的，即通过增强 结稔褥舞豹拣力、瀵热延瞧等接藏镰存霹耗效逮震麓量，以满足结稳豹撬震竣籍要求。 但这种方法存在一定的局限性： 第一章绪论 ( 1 ) 安全性难以保诫。目前抗震设计方法是以既定的“设防烈度”作为设计依据 熬。毽囊手嚣羲太弱不缒疆确蟪 鑫诗结梅未来搿麓遭遇瓣逸震懿豹强度耱特 性，因此；一凰发生超过“设防烈度”的地震时，结构将难以达到安全性的 撞标： ( 2 ) 适应能力差。地震动具有随机性，但目前还不能准确把撮其变化规律。目前 豹设诗方法还攀皴鬟当实嚣圭l 蠡震寒貉瓣，缝稳穰据逮震魂豹蛰蛙( 强发、 频谱、持时) 进行自我调节，因此其适成性是有限的； ( 3 经凌瞧欠建。转统戆摭震设计努法是以“羝捷”地震终阂佟袭主要手段敕， 如加大结构构件的截面尺寸，掇高材料隈度等级，加大配筋量等手段。 ：睦震楚j # 平稳隧规过獠，其携魏频豢镁宽，奁现有技术条磐下，入嚣j 运无法l 鑫诗寒 来地震的特性，这使人们不得不担心传统抗震设防标准能否确保绻构在未来强震作用下 懿安全性秘适用蛙。近年采，随着大量实趱、毫强、轻质建髓的使爆，结栋越来越凝： 越来越柔，阻尼越来越小，同时向高精技术发展的观代工业对结构抗震设计的安全性和 逶月经提爨了更嚣熬要求，嚣l 龟传统撬震设诗方法鑫不能瀵足现代实际工稳的嚣要。为 此，各国地震工程学家和结构工程师开展了结构振动控制的理论研究，取得了丰硕成 聚，一些成果已经癍罴在实际工程孛，并缎受了实骣地震蛉考验。 建筑结构振动控制是随现代控制理论的发展而发展起来的，其研究和发展将给建筑 缝掏抗震抗风带来场革鑫，有着广泛的瘢弱翦景。近3 0 年寒，建筑结梅振动控镑4 逐 步由被动向主动，避一步向智能方向发展，研究对蒙由理想模型向实际结构靠近， 隧e 憾、时滞、不确定性等因素都逐步被考患农志，控露过程蠢离线、静态、被动囱在线、 动态、主动方向发展，控制目的由确保地震袭击下结构的安全性向确保地麓袭击下结构 功正常发挥的方良发展。虽然缝构振动羧制的磺究取褥了较大进展，但象毕竟是- - i 1 新的交叉学科，在成为常舰的技术方法之前，还有很多有待进一步研究的问题： ( 1 )建筑结构参数不确定性的蛰棒性阀题。对予实际被控建筑对象，建立精确的数学 模型是比较困难的。同时，由于实际建筑结构的复杂性和不确定性，事实上也很 难精确地确定结构的固有参数。现除段的绩槐主动或半主动控制研究，通常都是 使用经过极度简化的计算模型，没肖考虑非结构构件的影响，进而通过各种控制 算法计算出反馈控测力，嚣暹过控露装置施翱至4 被按结构上，从面达到振动控制 的目的。简化结构与实际缩构的结构固有参数的差异，往往导致数德仿真分析效 暴缀好的控制方法龆在对实际结构的控制中效果缀差，甚至有时会造成控制失 稳，加速建筑结构的破坏。 2 一 大连理工大学博士学位论文 ( 2 )多维地震动输入时的偏心结构振动控制问题。在前人的研究过程中，通常只是将 结构在两个主轴方向简化成平面刚架模型，这就使得控制方法仅仅适用于简单对 称结构。地震波通过地面时的运动是极其复杂的，各点的周期和相位是不同的， 由于地面质点间运动的差别，可使地面的每一部分不仅产生平动分量，而且产生 转动分量，这种转动分量迫使结构产生扭转振动。同时，现代建筑一般体型多样 化，结构质量中心和刚度中心不重合，地震时作用在质量中心的惯性力将对刚度 中心产生扭转力矩，迫使结构产生扭转耦联的空间振动。 ( 3 ) 建筑结构离散时间系统的控制问题。目前为止，结构振动控制的研究主要是针对 连续系统模型进行的。但结构控制属于采样控制问题，在实际研究工作中，无论 是进行仿真分析，抑或是实时结构控制。都需要将结构处理为离散时间系统。 ( 4 )“控制延时”对控制系统的影响。在结构控制特别是主动控制领域，“控制延 时”是一个比较突出的问题。“控制延时”的产生，一般归因于两方面原因， 其一是由计算所需控制力而耗费的时间( 包括结构反应的传感器测量、与计算机 之间的数据传输以及计算机对数据的处理和计算所需时问) ；其二是作动器从接 受指令到建立起所需有效控制力的时间损耗( 即作动器的“反应”时间) 。研究 “控制延时”对控制品质的影响是保证控制力有效实施的关键，也是保证系统稳 定的需要。 综上所述，寻求对建筑结构参数不确定的强鲁棒性的结构振动控制算法，在离散条 件下，研究其对建筑结构的振动控制，同时考虑结构偏心和控制延时的影响，这是一项 非常有意义的工作。 以滑模控制为代表的变结构控制正是这样一种能用来处理线性和非线性系统的鲁棒 控制方法。由于变结构系统中的滑动模态具有不变性，即它与系统的摄动和外干扰无 关，这种理想的鲁棒性引起了控制界的极大关注，并且在控制领域已得到了很大的发 展。现阶段，连续系统的变结构控制理论已形成了比较成熟的自动控制系统的一般设计 方法，其滑动模态的鲁棒性能非常适合于建筑结构的振动控制，是一种非常有前途的结 构振动控制算法。 土木工程结构振动的滑模变结构控制是一个崭新的研究方向，目前在国内外从事这 方面研究的学者很少，存在许多问题需要进一步研究解决。因此，开展建筑结构振动滑 模变结构控制研究不仅是必要的，也是急需的。 3 一 第一章绪论 1 2 结构振动控制的研究进展 振动挝带翠在2 0 世鳃初就应用于机械行韭，而后又广泛应用于航天和运输工程 中。6 0 年代e l 本学者k o b o r i 和m i n a i 提如了主动撩制地震反应和动力智能建筑的思想 “。1 9 7 2 锥，美国p l l l d u e 大学j 工尊y a o 教授将现代控案璎论应爵予建筑缩构，提嫩了 土术工程络构控制的概念【z 】，确定了结构振动控制研究的开始。近二十多年来，结构振 动控帚l 获瑗论至实践褥鬟了巨大静发展，美菡和西本研究较举，成莱也较多，我国对结 构控制的研究起步较晚。1 9 8 0 年，王光远院士发表了“高筑结构风振的控制”1 3 1 ，系统 奔绉了函乡 结构控黼动商，指岛了土木工稔结梅控帮4 研究和应用驰广阔前暴，积极攥动 了我国该领域的研究。从此，结构控制研究在我国发展很快。迄今为止已有2 0 多个单 位觚事这方谣研究，并取褥了丰硕的研究成采。1 9 9 7 年，黻g ，w h o u s n e r f 4 1 为首静l o 名藩名学者对结构控制的谶去、现在和未来进行了全面的总结和展骥，标志潜结构控制 的辑究已经迸入崭新静阶段。 结构控制是积极主动的结构对策，是结构对策的重大发展，是土木结构王程发展的 薪豹熏程碑。因诧，结梅羧蒂l 成凳蹈梅工稳和结梅力学领域壤其前游的发震方随之一， 吸引了越来越多的学者投入到该领域的研究。 结构掇动控裁楚综合掩奄理论、计算梳稀学、缭构振动壤论与新耪辩稀学等多学科 交叉的新技术领域，目前仍处于初期发展和初步应用阶段。结构振动控n t s 6 j 是指程不 蒋掰耀强皱梅戆菱秣土，崧工程结稳特定帮使，设鬣菜释羟露装置、或菜释梳梅、鬣菜 种子结构，被动或生动地施加给结构控制力绒调整结构的动力特性，以减小或抑制工程 臻梅在遗震、强风藏其它麓力蓠载作爱下瀚振动夏痘，荠便之阪稍在容许范匿内鹣技 术。结构振动控制的目的悬增强结构的动力稳定性，提高结构抵抗外界振动的能力，以 满蹩安全戆、适霜穗、舒逶往要求。 由于络构振动撩制是- - l j 新兴学科，目前正处于发展初期和初步应用阶段，故对其 研究内容及分类未释到羁硫、统一。在一般情嚣下，结构接嚣l 按是黉需要多 都能源帮激 励以及结构反应的倍号，可以分为被动控制、主动控制、混合控制和半主动控制四类。 凳强1 i 。璇按戳下死个方藤进行憨结。 l ，2 1 结搀羧动控剃 结构被动控制一般是指在结构的某个部位附加一个子系统，或对结构自身的某然构 伟徽褐遥上貔处臻戳改交缩梅体系静动力将毪，使臻梅难激发生莱掇并减多主体结构速 震或风振反应的一种控制方法。被渤控制因其构造简单，造价低，易于维护且无需外界 4 大溅理工大学博士学位论文 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 己霸趋威熬，并己在实际工程中应用。被动控翻是霰麓控麓瀚经：粪方法，电掇隔震、耗 能减震、吸振等控制措施，以下简要介绍这烘控制技术和装鼹。 1 2 1 1 基蚕 | 黼震体系 基础隔震体系是在上部结构与基础之间设置某种隔震耗能装置，以减小地震能量向 上部的传输，达至l 减，j 、结稳振动爵静静一种结构抗震体系。它包括上鄢结构、隔震装踅 和下部结构三部分。为达到明显的减震效果，隔震装置或隔震体系必须具备下面五项特 性： ( 1 ) 具裔较大的烃向承载能力； ( 2 ) 其露较大的承平交形能力； ( 3 ) 具裔足够的初始刚度和强度； ( 4 ) 提供较大斡阻尼，獒有较大豹耗能熊力； ( 5 ) 复位特性，隔震结构体系在地震中具有自动“复位”功能。 基础隔震能显蔫遮陌悉结构魏蠡振频率，透露予短周期瓣中低屠建筑和嚣l 性结梅。 由于隔震仅对高频地震波有效，因此对高层和超高屡建筑不太适用。另外，橡胶隔震楚 懿老纯和稀久洼闻题8 ，葭及隔震效莱静定爨浚诗闻蘧弦8 还裔待予邋一步静稀究。 基础隔熊是当前应用最广泛，也是最成熟的一项技术。一些研究和应用较广的隔髋 装豢8 8 有：l 。夹层橡胶垫隔震装萋；2 。滚珠( 或滚辅) 自k 铜羧消能装鬣；3 。狯粒垫屡隧 震装置；4 铅塞滞交阻尼器隔震装鼹；5 铜滞变阻尼器隔震装置；6 基底滑移隔震装 置；7 悬臻基磴隔震装置；8 。混合隔攫装萋。 基础隔震是结构被动控制的主要方法之一。由于研究和戚用得较早，基础隔震理论 帮技术跑较戏熬。1 9 8 4 年在耨谣兰建残静嚣层蔽廉。藤灵顿竣籽办公穴搂是麓器上罄嶷 用锚芯橡胶魑做隔鼹元件的建筑物。日本在1 9 9 4 年前采用隔震技术的房屋有8 0 栋，板 牵滚震螽至1 9 9 7 年获褥庶瀵孛心签定的疆震房屋宥4 5 0 余栋。美嚣谯1 9 8 5 攀建残了零 国第一栋采用夹层橡胶垫隔震的四层钢结构建筑一加卅l 福希尔司法中心大楼。 隔震技术静使躐，饔嚣刚囊了臻震孛楼藤反盛零滠阉位移，篱诧了震嚣修复程穿， 降低了高烈度设防地区的房屋造价，比较适含中国的国情，因此对该技术的研究较早， 理谂研究帮工程瘦翔院较广泛。1 9 8 1 年，密藏冶金帮建设磷究葱魏李立羧授主持潦洚 的北京强震观测室滚住宅，是中国第一栋砂镪层隔震建筑。1 9 9 3 年，由华南建设学院 嚣福秫教授恚撩静濑头菜往宅楼，麓我国第拣橡胶整隔震建筑。逡入粥肇健，一大 批慕础隔震房屋建造成功，其房屋缕构的主骚形式摄砖混和框架。隔震技术擞要采用的 5 - 第一章绪论 是橡胶垫和金属涂料滑块，个别的采用了精选细砂、石墨涂层和四氟乙烯板等。到9 5 年为止，已建成和正在建的基础隔震房屋近3 0 栋，桥梁1 5 余座。这些技术及应用实例 为中国推广和普及基础隔震技术打下了坚实的基础。 1 2 1 - 2 耗能减震体系 耗能减震体系是把结构物的某些非承重构件( 如支撑、剪力墙、连接件等) 设计成 耗能构件，或在结构物的某些部位( 层间、节点、联结缝等) 装设耗能装置。在风载或 小震时，这些耗能构件与耗能装置具有足够的初始刚度，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，耗能构件或耗能装置首 先进入非弹性状态，产生较大的阻尼，大量耗散输入结构的地震能量，使主体结构避免 出现明显的非弹性状态，并且迅速衰减结构的地震反应( 位移、速度、加速度等) ，从 而保护主体结构及构件在强震中免遭破坏，确保主体结构在强震中的安全。 结构耗能减震体系按其耗能构件或耗能装置的不同，可分为两类： ( 1 )耗能构件减震体系：利用结构的非承重构件作为耗能装置的结构减震体系，常用 的消能构件有：( a ) 耗能支撑【】：包括方框耗能支撑、圆形耗能支撑、k 型偏心消 能支撑等；( b ) 耗能剪力墙【1 2 1 ：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 )阻尼器耗能减震体系：强震时通过阻尼器耗散能量。包括：( a ) 摩擦阻尼器【1 3 l ：利 用摩擦力做功耗散能量；f b ) 金属阻尼器【1 4 1 ：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；( c ) 粘性 和粘弹性阻尼器【坫1 ：利用阻尼器材料分子的相对错动摩擦耗能。 比较典型的安装了耗能阻尼器的建筑有：1 9 7 2 年建成的美国纽约世界贸易大厦 ( 共1 1 0 层) ，安装了一万多个粘弹性阻尼器，根据风振反应的观测，减振效果很好； 加拿大的m o n t r e a l 市的c e n c o r d i a 大学图书馆安装了6 0 个p a l l 摩擦阻尼器；日本的 o m i y a 市3 1 层的s o n i c 办公大楼共安装了2 4 0 个耗能阻尼器；在意大利的n a p l e s 市一 幢2 9 层的钢框架和美国s a nf r a n c i s c o 市的两层非延性钢筋混凝土建筑的加固等建筑安 装了软钢耗能器。在国内，李忠献等1 1 6 , 1 _ 7 】研制了阻尼器控制系统并进行了参数优化，该 阻尼器属于粘弹性耗能阻尼器，系统利用阻尼器显著的阻尼特点，有效地减小结构的振 动。周云、吴波等【1 8 - 2 3 1 分别对摩擦型阻尼器、粘弹性阻尼器和金属阻尼器进行了理论分 析和试验研究，取得了一系列的研究成果。 6 一 大连理工大学博士学位论文 图1 1 工程振动控制按是否输入外部能源分类 f i 晷1 1c l a s s i f i c a t i o n o f e n g i n e e r i n g v i b r a t i o nc o n t r o l b y o u t s i d e e n e r g y 7 第一章绪论 1 2 1 3 吸振控制体系 吸振控制是指在结构中设置某种控制装置，通过适当设计控制装置的动力参数，使 结构振动的能量能被控制装置吸收和消耗，并使控制装置的运动有利于降低受控结构的 动力反应。吸振控制装置主要有：调频质量阻尼器( t m d ) 、调频液体阻尼器 ( 1 l d ) 、液压? 质量控制体系( 瑚m s ) 、和质量泵( m p ) 等。 ( 1 ) 调频质量阻尼器( t m d ) 振动控制系统 2 4 - 2 6 调频质量阻尼器( t u n e dm a s sd a m p e r 简称t m d ) 是一种经典的减振装置，早期 被用来减少机器引起的振动，即人们常称的动力吸振器，7 0 年代以后开始用于建筑结 构的动力反应控制。t m d 系统是由弹簧、阻尼器和惯性质量组成的振动系统。当它安 装在结构上时，其固有频率一般调整到结构的某一固有频率，对结构的某一振型加以控 制。当结构振动时，引起t m d 共振，t m d 的振动惯性力反作用与结构本身，起到减 少结构振动反应的作用。 t m d 装置的质量、弹簧和阻尼器等参数对其减振控制效果的影响是非常明显的。 适当的参数可以获得好的减振效果，反之可能会适得其反。为了使t m d 尽可能多的吸 能耗能，需要对t m d 的参数进行优化。 t m d 技术目前还处于趋向成熟的发展阶段，该系统对于主振型不明显结构的减振 控制仍有待于进一步的研