土木工程方法论结课作业

1、土木工程方法论结课作业姓 名： 学 号：班 级：单 位：土木建筑工程学院时 间：2011年12月16日建筑结构抗震研究新进展韩. (北京交通大学，北京100044) 摘要：本文对国内外建筑结构抗震研究的新进展做了综合评述。建筑抗震技术的发展的基础是抗震理论的创新。目前最前沿的抗震理论为结构控制理论。基于该理论的结构控制技术可以分为被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制以及智能控制。其中被动控制分为隔震和减震两类技术。本文对以上控制技术逐一进行介绍，论述了各种控制方式的概念及原理、系统组成及装置类型、优越性及应用范围。最后对各项技术的发展前景和研究方向进行了展望。关键词：建筑；抗震；被动控制；

2、主动控制；半主动控制；智能控制中图分类号：TU375.4 文献标识码：A文章编号： Process in Seismic Study of Building structure Han Shanshan(Beijingjiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract : This paper reviews the recent progress in the field of seismic study in China and abroad. New seismic technology is based on theory innovat

3、ion. Currently, the most cutting-edge structure seismic theory is the structure control theory. Based on this theory, structural control technologies can be divided into passive control, active control, semi-active control, hybrid control and intelligent control. Passive control is divided into two

4、types, which are isolation and damping technology. In this paper, each technology is introduced individually, including their concepts and principles, system components and device types, advantages and applications. Finally, the paper discusses prospects and research directions of different technolo

5、gies.Keywords : building; seismic technology ; passive control; semi-active control ; active control; intelligent controlE-mail：09231067引言我国是一个地震多发的国家，地震中的建筑物倒塌会造成大量的人员伤亡和财物损失。纵观历次大地震，以建筑结构为主的工程设施在地震中所扮演的角色是显而易见的，正是由于大地震中工程设施的破坏，特别是建筑物的倒塌导致了更大规模的财产损失，同时也带来了难以承受的人员伤亡。因此，建筑结构的抗震研究，成为当前工程领域探讨的重要问题。为了保证

6、建筑结构具有足够的抗震可靠性，使地震破坏降到最低限度，达到抗震设计中“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标，必须结合实际情况，综合考虑多种因素的影响，从结构总体上进行合理的抗震设计1-2。传统的建筑结构抗震技术主要采用延性结构体系。虽然该理论具有一定科学性，但是也存在种种缺陷。因此，在传统抗震设计理论的基础上，人们一直在寻求结构抗震新理论和新技术。通过大胆创新提出了结构振动控制理论。本文对国内外建筑结构结构控制抗震技术的新进展做了综合评述，对各项技术的发展前景和研究方向进行了展望。1 传统建筑抗震设计理论及缺陷传统的建筑结构抗震理论可分为基于静力理论的刚性结构体系抗震和基于反应谱理论的延性

7、结构体系抗震2。其中刚性结构体系很难实现，也不经济，极少被采用；而延性结构体系则是目前我国和世界各国普遍采用的抗震设计基本思想。延性结构体系抗震设计包括三个方面的内容：概念设计，抗震验算及构造措施。其中概念设计最为重要。抗震概念设计在总体上要求把握的基本原则可以概括为：选择建筑场地和地段，选择合理的建筑体型，提高抗震性能，加强结构整体性，重视非结构构件1-3。但是这些理论和措施均建立在提高结构和构件的抗震承载能力和变形能力的基础上。当结构遭遇基本烈度及以上的地震袭击时，往往需要依靠结构和构件的塑性变形来耗散地震输入结构的能量。而塑性变形对结构而言实际是一种损伤。传统的抗震设计方法一方面要利用结

8、构的塑性变形能力或延性来减轻地震反应，另一方面又要使结构不发生严重的损伤，其实质可以说是对相互矛盾的目标进行某种妥协和折衷2。近十年发生的几次大地震都说明，传统的抗震设计方法虽然对提高结构抵御地震灾害的能力发挥了较大的作用，但也存在结构安全性难以保证，适应性受到限制，经济性欠佳，震后修复难度大，修复所需时间长等一系列问题。此外，对于一般性建筑，由于建筑物装修与内部设备的破坏，会造成较大的经济损失；对于某些生命线工程，由于结构内部设备的破坏会导致生命线网络的瘫痪，所造成的损失更是难以估量。2 结构控制技术的提出和发展由于传统抗震理论存在着上述种种缺陷，人们一直在寻求结构抗震新理论和新技术，结构控

9、制理论便是这种努力的结果。结构控制技术最初在机械，宇航和船舶领域得到广泛应用。1972年美籍华裔学者姚治平（J.T.P.Yao）教授第一次明确提出了土木工程领域结构控制振动的概念。姚认为，结构的性能能够通过控制手段加以控制，以使它们在环境荷载作用下，能保持在一个指定范围内；为确保安全，结构位移需要限制；从居住者的舒适方面考虑，加速度需要限制。此后，结构控制技术得到了迅速发展，国内外学者在结构振动控制的理论、方法、试验和工程应用等方面取得了大量研究成果。近40年的理论和实践表明，结构控制技术可以有效的减轻结构在风和地震作用下的反应和损伤，有效的提高结构的抗震能力和防灾能力4。3 结构控制技术概念

10、及分类结构控制是在结构中设置控制系统，使结构和控制系统共同抵御外界动荷载的作用，达到控制结构形态，减轻结构动力响应的目的。结构控制理论可以简单表述为：通过对结构施加控制结构，包括在结构的特定部位安装某种隔震装置、耗能机构、附加子机构或施加外力，由控制机构和结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结构的振动反应，使它在外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围内，确保建筑结构的安全性、实用性和舒适性5。根据是否需要外界能源，结构控制主要分为被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制以及近年来发展起来的智能控制4-5。下面分别就各种控制方式的概念与原理、系统组成与装置类型、优越性与应用范围进行评述。3.1

11、被动控制基础隔震3.1.1概念与原理被动控制也称无源控制，它不需要外部输入能量，仅通过控制系统改变结构系统的动力特性达到减轻动力响应的目的。被动控制中的隔震技术是指通过某种隔离装置将地震动与结构隔开，以达到减小结构振动的目的。根据隔震层位置不同，隔震方法主要包括基底隔震、地下室隔震和楼层隔震等类型6-7。3.1.2系统与装置隔震是限制地震能量进入上部结构的方法。隔震和震动控制主要由隔震装置，阻尼耗能体系，被动控制体系，混合控制体系，主动控制体系四个部分组成。其中阻尼耗能体系和被动控制体系涵盖了滞回耗能构件，摩擦阻尼器带有粘性和粘弹性的阻尼器，液体晃动水槽(TAD)，可调质量控制器(TMD)等。

12、常用的隔震机构和体系有叠层钢板橡胶支座、复位弹簧和平面滑板并联机构、摩擦摆体系(FPS) 和其它隔震、减振复合体系7。叠层钢板橡胶支座隔震体系已相对比较成熟，对自振周期较短的房屋减振效果都是比较好的，技术经济指标一般也是可以接受的。其不足之处是对竖向振动一般没有减振效果，对长周期水平振动存在共振危险性。FPS 实际是依靠重力复位的摩擦摆滑动机构，如图1所示。这种机构只对摆动方向起隔震作用，为满足X、Y 两个方面的隔震要求，需要应用双层结构，在FPS 中，摩擦滑块和滑动面是面接触，且能在滑移过程中耗散能量。平面摩擦滑动隔震方法由于造价较低，长期以来一直备受重视。由于上述平面摩擦滑动机构本身没有自

13、复位能力，因此应该采用弹性或弹塑性恢复元件。图1 摩擦摆系剖面图3.1.3优势与应用被动控制因其构造简单、造价低、易于维护且无须外部能源支持等优点而成为目前开发应用的热点，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。3.2被动控制消能减震3.2.1概念与原理耗能减震控制技术是指通过采用一定的耗能装置或附加子结构吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的振动。减震方法主要包括消能减震、吸振减震、冲击减震等类型6,8,9。3.2.2系统与装置目前研究开发的耗能装置和阻尼器种类很多，归纳起来有以下几类：摩擦耗能装置；金属阻尼器；粘性及粘弹性阻尼器；调谐阻尼器。(1) 摩擦耗能装置图

14、2所示的摩擦耗能装置是一可滑动而改变形状的机构，机构带有镀层的摩擦制动板，机构的滑移受板间摩擦力控制，而摩擦力取决于板间的挤压力，可通过松紧节点饭的压紧螺栓来调节。该装置按正常使用荷载及小震作用下不发生滑动设计;而在强烈地震荷载作用下，其主要构件尚未发生屈服，装置即滑移，以摩擦功耗散地震能量，并改变了结构的自振频率，从而使结构在强震时能改变动力特性，达到减震目的。 图2 摩擦耗能装置图3 简单摩擦阻尼器组合元件(2) 金属阻尼器系统利用金属非弹性滞回耗能被广泛用来制造各种类型的耗能减震装置。目前研究开发的金属耗能装置可分为三大类:软钢耗能装置;铅挤压阻尼器;记忆合金耗能器。软钢具有较好的屈服后

15、性能，利用这种特性开发了多种耗能装置，如加劲阻尼(ADAS)耗能装置。它是由普通延性软钢制成的X型(或矩形、三角形)钢板装配而成，在小震作用下，钢板呈弹性变形;在强地震作用下，钢板呈弹塑性变形，耗散地震能量。该装置安装在人字形支撑和框架梁之间，如图4所示。结果表明，该装置具有稳定的滞回特性和较好的耗能能力。铅挤压阻尼器(LEDs)具有和摩擦装置相似的滞回特性，滞回曲线呈矩形，荷载-变形关系稳定，可重复，不受荷载循环次数影响，对环境因素不敏感，使用时间对其性能影响不明显。铅挤压阻尼器已被广泛用于基础隔震系统中作为阻尼器或多层建筑中作为耗能器。记忆合金(SMA)耗能器是记忆合金具有能重复屈服而不产

16、生永久变形的特点而被用作制造耗能器.目前已做过一些装有SMA耗能器的结构地震模拟试验研究，结果表明，SMA耗能器能有效地减小模型结构的地震反应。图4 带有加劲阻尼(ADAS)装置和V型支撑的框架(3) 粘性和粘弹性阻尼器这是阻尼力与速度成比例( 或成幂次方关系) 的线性或弱非线性粘弹性元件，通常用有机硅和其他高分子材料制成。其主要优点是没有明显的阈值，对大震和小震都能起作用。应用中的关键问题是如何提高材料的弹性模量、变形能力和减小温度影响。在非延性钢筋混凝土结构中安装粘弹性阻尼器能有效地改善结构在强震作用下的性能8-9。(4) TMD 与TLD 系统调谐质量阻尼器(TMD) 和调谐液动阻尼器(

17、TLD)是利用二次系统吸引主体结构的振动能量而使主体结构减振的方法。这方面的研究和分析工作已做得较多，但试验研究和工程应用还不是很多。(5) 其他耗能减震装置除以上介绍的耗能减震装置和阻尼器外，还有一些其它的耗能减震方法，如偏心支撑、带蕊钢框支撑、隅撑支撑，耗能墙等10。3.3主动控制3.3.1概念与原理主动控制是一种需要外部能源驱动的结构控制技术，它通过自动控制系统主动地对结构施加控制力，以达到减小结构振动的目的。其工作原理如下:传感器监测结构的动力响应和外部激励,将监测的信息送入计算机内,计算机根据给定的算法给出应施加力的大小,最后,由外部能源驱动,控制系统产生所需要的力。主动控制的控制原

18、理示意图见图54-5。图5 主动控制原理示意图 3.3.2系统与装置目前主动控制系统有以下几种。 (1)主动质量阻尼系统(AMD)主动质量阻尼系统是由被动控制中的调谐质量阻尼器(TMD)演变来的,它通过安装在结构上的监测器,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（如图6）。这种装置能对不可预知的地震动及随机风振自动地、迅速地作出反应,控制结构振动,使结构保持预期的状态。(2)主动拉索(锚索)系统(ATS)60年代,Lev Zetlin在框架结构的层间设置交叉锚索(图7)。该控制系

19、统的基本原理是:在地震荷载或风载作用下,结构发生相对运动,当建筑物层间相对位移较小时,锚索处于松驰状态,不起作用,而当建筑物层间位移相对较大时,锚索张起,起斜向支承作用,这就是通常说的被动控制的锚索设计;主动锚索控制是在锚索上安装液压伺服系统,并在结构中设置传感器,当外力作用时,传感器把测到的结构反应传给控制系统,控制系统在考虑了外激励的不确定性后,确定对锚索施加控制力,因此,主动锚索控制可以有效地减小结构的反应,提高结构的舒适性。 (3)主动支撑系统(ABS)对于设置了支撑系统的高层建筑,可在支撑处设置主动控制装置。主动控制系统提供的反馈系统可按传感器监测到的速度、加速度分别设计成速度反馈系

20、统与力反馈系统。图6 二维方向的AMD试验装置3.4 半主动控制3.4.1 概念与原理半主动控制是以被动控制为基础，利用控制结构来主动调节系统内部的参数，对被动控制系统的工作状态进行切换，使结构控制处于最优状态。与主动控制相比，半主动控制所需的外部能量较少，容易实施且更为经济，且控制效果又与主动控制相近，因此具有较好的应用潜力。其控制原理的示意图见图7。图7 半主动控制原理示意图 图8 空气动力挡风板控制3.4.2 系统与装置目前出现的半主动控制技术主要有以下几种:(1)主动调谐参数质量阻尼系统(ATMD)主动调谐参数质量系统是在结构的顶部放置惯性质量、弹簧及阻尼系统,通过TMD系统与主结构控

21、制振型谐振来重新分配和消耗振动能量。与被动TMD系统不同的是在主动调谐参数质量阻尼系统内安装了一套精密的设备对参数进行调整。(2)可变刚度系统(AVS)和可变刚度衰减系统(AVDS)该系统由下列装置构成:监测地震的传感器；地震动分析器;c.判别建筑物刚性的控制计算机；使刚度发生变化的可变装置；电源装置。它的工作原理是:在斜向支撑和梁之间安装一种“圆筒销子锁”。地震时,“销子锁”打开,结构的刚度降低,减小了结构承受的地震力。(3)空气动力挡风板控制该装置最早系应用于航空工程,主要用来控制机翼的颤振。70年代,Klein等人首先采用空气动力减震器来减小高层建筑的风振反应,其构造如图8。这种装置在建

22、筑物的顶部或适当部位设置挡风板,在建筑物受到风荷发生运动的情况下,当建筑物运动方向与风的方向相反时,控制机构张开挡风板,扩大建筑物的迎风面积,挡风板利用反方向的风力作为结构控制力,降低对建筑物的风振效应;当建筑物的运动方向与风的方向相同时,控制机构自动闭合挡风板。由于该系统的控制能量来自风力本身,因此只需要提供一小部额外能量开闭挡风板,其实质是改变系统参数,因此,系统属于半主动控制的范畴。(4)可控摩擦式隔震支承它是在传统的摩擦式隔震基础上,安装一个与压力控制系统相连的液压腔(如图9),液压腔的作用是调整摩擦阻尼面的正压力。隔震系统仍采用摩擦原理,摩擦材料为聚四氟乙烯。由于摩擦阻尼面的正压力是

23、可调控的,因此可使系统的隔震性能达到最优。图9 可控摩擦式隔震支承3.5混合控制3.5.1 概念与原理混合控制也称杂交控制，是上述三类控制的混合应用。在结构上同时施加主动控制和被动控制，整体分析其响应，既能克服纯被动控制的应用局限，也减小控制力，进而减小控制外部设备的功率、体积、能源和维护费用1,2,5。其控制原理的示意图见图10图10 混合控制原理示意图3.5.2 系统与装置目前,出现的混合控制技术有:主动质量阻尼控制系统(AMD)和质量阻尼系统(TMD)、调谐液体阻尼系统(TLD)的混合控制4-5。AMD系统和TMD系统的混合控制常设计成以下三种方式:(1)中、小地震时采用AMD控制方式,

24、大震时当控制力超出系统的能力时,TMD系统亦参与工作;(2)用TMD系统控制中、小地震,大震时AMD系统参与工作;(3)对于双向多维振动,分别采用AMD控制和TMD控制。(1)阻尼耗能(VE Damper)和主动控制(ABS)的混合控制S.R.Tzan和C.P.Pantelides提出了粘弹性阻尼器(VEDamper)与主动支撑控制 (ABS)的混合控制,在两种不同形式的控制方式共同作用下,一方面由于粘弹性阻尼器的作用,大大减小了需要主动支撑控制系统所提供的控制力,另一方面由于主动支撑控制系统的作用,大大提高了粘弹性阻尼器的阻尼比,减小粘弹性阻经器所承受的剪力,改善了粘弹性阻尼器的力学性能,提

25、高了其使用寿命。计算结果表明,ABS - VE混合控制具有良好的控制效果。(2)隔震系统与主动控制系统(AMD)的混合控制隔震系统与主动控制(AMD)的联用研究主要包括两个方面:一是滑动隔震与AMD相结合的混合控制,二是采用积层橡胶隔震与AMD相结合的混合控制。由于这种混合控制既利用了切断地震传播路径的控制方法,又利用了主动控制对结构振动进行抑制的控制方法,因此控制效果比较理想。此外,还有被动滑动隔震与主动隔震相结合的混合控制。3.6智能控制3.6.1 概念与原理智能控制技术是建筑抗震结构控制中最前沿的控制技术。人们在从事结构控制的研究过程中，逐步把经验和直觉推理、综合判断等人类生物技能运用于

26、控制之中，形成了智能结构控制的概念。智能控制是指以智能控制理论为基础，将结构设计成具有感知、辨识、优化和控制功能的智能系统，使其能感知外界和内部状态与性能的变化，并根据变化的具体特征对引起变化的因素进行辨识，进而采取最优或近优控制策略以使系统对上述因素做出合理的响应11。从智能结构控制的概念可以看出，智能结构具有感知、辨识、优化和控制四种基本功能，其基本工作原理如图11所示12。其工作原理与人体的生物机能十分相似，传感系统相当于智能结构的“神经元”，信息处理系统相当于智能结构的 “大脑”，控制系统相当于智能结构的“肌肉”，而通讯系统相当于智能结构的“神经网络”。这几部分结合、统一、协调，各自发

27、挥特点，使结构具有一定的智能，能够根据周围环境的变化，按一定的准则，主动采取合理的措施，减小或减轻因环境变化而产生的反应。图11 智能结构基本原理3.6.2 系统与装置智能结构的控制的实现途径有：(l)基于专家系统的专家控制；(2)基于模糊推理和计算的模糊控制；(3)基于人工神经网络的神经网络控制；(4)基于信息论、遗传算法和以上三种方法的集成型智能控制。土木工程中主要通过模糊振动试验，利用模糊控制理沦和模糊逻辑中的模糊推理功能，来实现结构的智能控制。如图12为模糊主动控制系统简图。图12 模糊主动控制系统3.6.3 优势与应用与前面几种控制技术相比，智能控制能够更好地解决高度非线性问题、强藕

28、合、时变以及分布参数等问题，尤其是当控制对象比较复杂时，智能控制更是显现出巨大的优势11-12。4 发展趋势与展望通过许多研究者长期的努力，尤其是在最近十几年时间里，土木工程结构控制技术全面迅速发展起来，表现出生机盎然的发展趋势。展望结构控制技术在今后的一个时期内发展趋势将是：首先，将被动控制技术规范化、实用化。把目前一些比较成熟和已被实际工程证实的被动控制技术，例如基础隔振、耗能吸能减振等，进行系统整理，使之逐步规范化、实用化，并编入新制订的结构设计规范中，以推动其在工程实践中的广泛应用。目前，这方面的工作在国内外已经有了一定的进展。其次，加强对半主动控制以及混合控制技术的实验研究和试点工程

29、的研究，半主动控制和混合控制技术将是今后土木工程结构控制的重要发展方向，所以应该更进一步加强对它们的实验研究和试点工程的研究，来验证它们的实际控制效果和可靠性13-14，并不断总结、完善来达到预期的实用化的要求。最后，智能型控制技术必将有良好的使用前景。随着我国高层建筑特别是超高层建筑的发展，必将给结构振动控制带来更为广阔发展空间15。因此，采用结构控制技术的智能型隔振减振结构将会是不久的将来人们的现实追求。结论(1)结构控制技术是一种积极的抗震手段，具有振动控制效果好、适用范围广的优点，成为当前国内外相关领域研究的前沿课题。(2)被动控制技术相对比较成熟且已经基本进入实用阶段，今后的研究可以

30、集中在标准化、优化设计、细部构造、新产品的开发和完善 ( 包括阻尼器和其它机构) 等方面。新产品开发应该以低价、高效和高性能为目标。(3)半主动控制技术及其在工程中的应用前景也比较看好，但是控制机构和策略还有待进一步改进。(4)主动控制技术由于其初始投资和维护费用都很高，至少在一般多层建筑中应用是不大可行的。(5)智能控制技术将在理论发展和高效控制器的开发等方面进一步深入，这将给传统的结构振动控制的研究带来一场深刻的革命。参考文献1 左宏亮,戴纳新.建筑结构抗震M.中国水利水电出版社.2009.2 祝英杰.结构抗震设计M.北京大学出版社.2009.3 Adrian M.Chandler, Ne

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35、b-date > 2000 and TITLE-ABSTR-KEY(building engineering) and TITLE-ABSTR-KEY(earthquake)All Sources(Engineering) Results: 85 articles; 14 most relevant articles（3）SCISearch type: Title=(building engineering) AND Title=(earthquake) Timespan=2001-2011. Databases=SCI-EXPANDED, CPCI-S, CPCI-SSH. Resul

36、ts: 4 articles（4）ASCEbuilding engineering earthquake' in Abstract/Title/Keywords between '1983-1-1' and '2011-12-13'Results: 23 articles; 3most relevant articles第二部分 学习体会和收获土木工程专业研究方法论是继土木工程专业导论学习之后，我所选择的一门更系统更深入的专业认识课程。总体而言，课程学习对我的影响主要有两个方面，一个是认识方面的，另一个是技能方面的。认识方面方法论的学习使我建立起对土木专业发展现状和前景的整体认识。学习之前，我对专业的认识浅显，不了解专业前沿动态，盲目认