土木工程方法論結(jié)課作業(yè)

1、土木工程方法論結(jié)課作業(yè)姓 名： 學(xué) 號(hào)：班 級(jí)：單 位：土木建筑工程學(xué)院時(shí) 間：2011年12月16日建筑結(jié)構(gòu)抗震研究新進(jìn)展韓. (北京交通大學(xué)，北京100044) 摘要：本文對國內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)抗震研究的新進(jìn)展做了綜合評(píng)述。建筑抗震技術(shù)的發(fā)展的基礎(chǔ)是抗震理論的創(chuàng)新。目前最前沿的抗震理論為結(jié)構(gòu)控制理論?；谠摾碚摰慕Y(jié)構(gòu)控制技術(shù)可以分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制、混合控制以及智能控制。其中被動(dòng)控制分為隔震和減震兩類技術(shù)。本文對以上控制技術(shù)逐一進(jìn)行介紹，論述了各種控制方式的概念及原理、系統(tǒng)組成及裝置類型、優(yōu)越性及應(yīng)用范圍。最后對各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景和研究方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：建筑；抗震；被動(dòng)控制；

2、主動(dòng)控制；半主動(dòng)控制；智能控制中圖分類號(hào)：TU375.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)： 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引言我國是一個(gè)地震多發(fā)的國家，地震中的建筑物倒塌會(huì)造成大量的人員傷亡和財(cái)物損失。縱觀歷次大地震，以建筑結(jié)構(gòu)為主的工程設(shè)施在地震中所扮演的角色是顯而易見的，正是由于大地震中工程設(shè)施的破壞，特別是建筑物的倒塌導(dǎo)致了更大規(guī)模的財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)也帶來了難以承受的人員傷亡。因此，建筑結(jié)構(gòu)的抗震研究，成為當(dāng)前工程領(lǐng)域探討的重要問題。為了保證

6、建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震可靠性，使地震破壞降到最低限度，達(dá)到抗震設(shè)計(jì)中“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)，必須結(jié)合實(shí)際情況，綜合考慮多種因素的影響，從結(jié)構(gòu)總體上進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)1-2。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)主要采用延性結(jié)構(gòu)體系。雖然該理論具有一定科學(xué)性，但是也存在種種缺陷。因此，在傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，人們一直在尋求結(jié)構(gòu)抗震新理論和新技術(shù)。通過大膽創(chuàng)新提出了結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論。本文對國內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)控制抗震技術(shù)的新進(jìn)展做了綜合評(píng)述，對各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景和研究方向進(jìn)行了展望。1 傳統(tǒng)建筑抗震設(shè)計(jì)理論及缺陷傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)抗震理論可分為基于靜力理論的剛性結(jié)構(gòu)體系抗震和基于反應(yīng)譜理論的延性

7、結(jié)構(gòu)體系抗震2。其中剛性結(jié)構(gòu)體系很難實(shí)現(xiàn)，也不經(jīng)濟(jì)，極少被采用；而延性結(jié)構(gòu)體系則是目前我國和世界各國普遍采用的抗震設(shè)計(jì)基本思想。延性結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面的內(nèi)容：概念設(shè)計(jì)，抗震驗(yàn)算及構(gòu)造措施。其中概念設(shè)計(jì)最為重要?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)在總體上要求把握的基本原則可以概括為：選擇建筑場地和地段，選擇合理的建筑體型，提高抗震性能，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，重視非結(jié)構(gòu)構(gòu)件1-3。但是這些理論和措施均建立在提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗震承載能力和變形能力的基礎(chǔ)上。當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇基本烈度及以上的地震襲擊時(shí)，往往需要依靠結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的塑性變形來耗散地震輸入結(jié)構(gòu)的能量。而塑性變形對結(jié)構(gòu)而言實(shí)際是一種損傷。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法一方面要利用結(jié)

8、構(gòu)的塑性變形能力或延性來減輕地震反應(yīng)，另一方面又要使結(jié)構(gòu)不發(fā)生嚴(yán)重的損傷，其實(shí)質(zhì)可以說是對相互矛盾的目標(biāo)進(jìn)行某種妥協(xié)和折衷2。近十年發(fā)生的幾次大地震都說明，傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法雖然對提高結(jié)構(gòu)抵御地震災(zāi)害的能力發(fā)揮了較大的作用，但也存在結(jié)構(gòu)安全性難以保證，適應(yīng)性受到限制，經(jīng)濟(jì)性欠佳，震后修復(fù)難度大，修復(fù)所需時(shí)間長等一系列問題。此外，對于一般性建筑，由于建筑物裝修與內(nèi)部設(shè)備的破壞，會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失；對于某些生命線工程，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備的破壞會(huì)導(dǎo)致生命線網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，所造成的損失更是難以估量。2 結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的提出和發(fā)展由于傳統(tǒng)抗震理論存在著上述種種缺陷，人們一直在尋求結(jié)構(gòu)抗震新理論和新技術(shù)，結(jié)構(gòu)控

9、制理論便是這種努力的結(jié)果。結(jié)構(gòu)控制技術(shù)最初在機(jī)械，宇航和船舶領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1972年美籍華裔學(xué)者姚治平（J.T.P.Yao）教授第一次明確提出了土木工程領(lǐng)域結(jié)構(gòu)控制振動(dòng)的概念。姚認(rèn)為，結(jié)構(gòu)的性能能夠通過控制手段加以控制，以使它們在環(huán)境荷載作用下，能保持在一個(gè)指定范圍內(nèi)；為確保安全，結(jié)構(gòu)位移需要限制；從居住者的舒適方面考慮，加速度需要限制。此后，結(jié)構(gòu)控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的理論、方法、試驗(yàn)和工程應(yīng)用等方面取得了大量研究成果。近40年的理論和實(shí)踐表明，結(jié)構(gòu)控制技術(shù)可以有效的減輕結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震作用下的反應(yīng)和損傷，有效的提高結(jié)構(gòu)的抗震能力和防災(zāi)能力4。3 結(jié)構(gòu)控制技術(shù)概念

10、及分類結(jié)構(gòu)控制是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置控制系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)共同抵御外界動(dòng)荷載的作用，達(dá)到控制結(jié)構(gòu)形態(tài)，減輕結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的目的。結(jié)構(gòu)控制理論可以簡單表述為：通過對結(jié)構(gòu)施加控制結(jié)構(gòu)，包括在結(jié)構(gòu)的特定部位安裝某種隔震裝置、耗能機(jī)構(gòu)、附加子機(jī)構(gòu)或施加外力，由控制機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)共同承受振動(dòng)作用，以調(diào)諧和減輕結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，使它在外界干擾作用下的各項(xiàng)反應(yīng)值被控制在允許范圍內(nèi)，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性、實(shí)用性和舒適性5。根據(jù)是否需要外界能源，結(jié)構(gòu)控制主要分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制、混合控制以及近年來發(fā)展起來的智能控制4-5。下面分別就各種控制方式的概念與原理、系統(tǒng)組成與裝置類型、優(yōu)越性與應(yīng)用范圍進(jìn)行評(píng)述。3.1

11、被動(dòng)控制基礎(chǔ)隔震3.1.1概念與原理被動(dòng)控制也稱無源控制，它不需要外部輸入能量，僅通過控制系統(tǒng)改變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性達(dá)到減輕動(dòng)力響應(yīng)的目的。被動(dòng)控制中的隔震技術(shù)是指通過某種隔離裝置將地震動(dòng)與結(jié)構(gòu)隔開，以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。根據(jù)隔震層位置不同，隔震方法主要包括基底隔震、地下室隔震和樓層隔震等類型6-7。3.1.2系統(tǒng)與裝置隔震是限制地震能量進(jìn)入上部結(jié)構(gòu)的方法。隔震和震動(dòng)控制主要由隔震裝置，阻尼耗能體系，被動(dòng)控制體系，混合控制體系，主動(dòng)控制體系四個(gè)部分組成。其中阻尼耗能體系和被動(dòng)控制體系涵蓋了滯回耗能構(gòu)件，摩擦阻尼器帶有粘性和粘彈性的阻尼器，液體晃動(dòng)水槽(TAD)，可調(diào)質(zhì)量控制器(TMD)等。

12、常用的隔震機(jī)構(gòu)和體系有疊層鋼板橡膠支座、復(fù)位彈簧和平面滑板并聯(lián)機(jī)構(gòu)、摩擦擺體系(FPS) 和其它隔震、減振復(fù)合體系7。疊層鋼板橡膠支座隔震體系已相對比較成熟，對自振周期較短的房屋減振效果都是比較好的，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一般也是可以接受的。其不足之處是對豎向振動(dòng)一般沒有減振效果，對長周期水平振動(dòng)存在共振危險(xiǎn)性。FPS 實(shí)際是依靠重力復(fù)位的摩擦擺滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖1所示。這種機(jī)構(gòu)只對擺動(dòng)方向起隔震作用，為滿足X、Y 兩個(gè)方面的隔震要求，需要應(yīng)用雙層結(jié)構(gòu)，在FPS 中，摩擦滑塊和滑動(dòng)面是面接觸，且能在滑移過程中耗散能量。平面摩擦滑動(dòng)隔震方法由于造價(jià)較低，長期以來一直備受重視。由于上述平面摩擦滑動(dòng)機(jī)構(gòu)本身沒有自

13、復(fù)位能力，因此應(yīng)該采用彈性或彈塑性恢復(fù)元件。圖1 摩擦擺系剖面圖3.1.3優(yōu)勢與應(yīng)用被動(dòng)控制因其構(gòu)造簡單、造價(jià)低、易于維護(hù)且無須外部能源支持等優(yōu)點(diǎn)而成為目前開發(fā)應(yīng)用的熱點(diǎn)，許多被動(dòng)控制技術(shù)已日趨成熟，并已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。3.2被動(dòng)控制消能減震3.2.1概念與原理耗能減震控制技術(shù)是指通過采用一定的耗能裝置或附加子結(jié)構(gòu)吸收或消耗地震傳遞給主體結(jié)構(gòu)的能量，從而減輕結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。減震方法主要包括消能減震、吸振減震、沖擊減震等類型6,8,9。3.2.2系統(tǒng)與裝置目前研究開發(fā)的耗能裝置和阻尼器種類很多，歸納起來有以下幾類：摩擦耗能裝置；金屬阻尼器；粘性及粘彈性阻尼器；調(diào)諧阻尼器。(1) 摩擦耗能裝置圖

14、2所示的摩擦耗能裝置是一可滑動(dòng)而改變形狀的機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)帶有鍍層的摩擦制動(dòng)板，機(jī)構(gòu)的滑移受板間摩擦力控制，而摩擦力取決于板間的擠壓力，可通過松緊節(jié)點(diǎn)飯的壓緊螺栓來調(diào)節(jié)。該裝置按正常使用荷載及小震作用下不發(fā)生滑動(dòng)設(shè)計(jì);而在強(qiáng)烈地震荷載作用下，其主要構(gòu)件尚未發(fā)生屈服，裝置即滑移，以摩擦功耗散地震能量，并改變了結(jié)構(gòu)的自振頻率，從而使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震時(shí)能改變動(dòng)力特性，達(dá)到減震目的。 圖2 摩擦耗能裝置圖3 簡單摩擦阻尼器組合元件(2) 金屬阻尼器系統(tǒng)利用金屬非彈性滯回耗能被廣泛用來制造各種類型的耗能減震裝置。目前研究開發(fā)的金屬耗能裝置可分為三大類:軟鋼耗能裝置;鉛擠壓阻尼器;記憶合金耗能器。軟鋼具有較好的屈服后

15、性能，利用這種特性開發(fā)了多種耗能裝置，如加勁阻尼(ADAS)耗能裝置。它是由普通延性軟鋼制成的X型(或矩形、三角形)鋼板裝配而成，在小震作用下，鋼板呈彈性變形;在強(qiáng)地震作用下，鋼板呈彈塑性變形，耗散地震能量。該裝置安裝在人字形支撐和框架梁之間，如圖4所示。結(jié)果表明，該裝置具有穩(wěn)定的滯回特性和較好的耗能能力。鉛擠壓阻尼器(LEDs)具有和摩擦裝置相似的滯回特性，滯回曲線呈矩形，荷載-變形關(guān)系穩(wěn)定，可重復(fù)，不受荷載循環(huán)次數(shù)影響，對環(huán)境因素不敏感，使用時(shí)間對其性能影響不明顯。鉛擠壓阻尼器已被廣泛用于基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)中作為阻尼器或多層建筑中作為耗能器。記憶合金(SMA)耗能器是記憶合金具有能重復(fù)屈服而不產(chǎn)

16、生永久變形的特點(diǎn)而被用作制造耗能器.目前已做過一些裝有SMA耗能器的結(jié)構(gòu)地震模擬試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，SMA耗能器能有效地減小模型結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。圖4 帶有加勁阻尼(ADAS)裝置和V型支撐的框架(3) 粘性和粘彈性阻尼器這是阻尼力與速度成比例( 或成冪次方關(guān)系) 的線性或弱非線性粘彈性元件，通常用有機(jī)硅和其他高分子材料制成。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有明顯的閾值，對大震和小震都能起作用。應(yīng)用中的關(guān)鍵問題是如何提高材料的彈性模量、變形能力和減小溫度影響。在非延性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中安裝粘彈性阻尼器能有效地改善結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的性能8-9。(4) TMD 與TLD 系統(tǒng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD) 和調(diào)諧液動(dòng)阻尼器(

17、TLD)是利用二次系統(tǒng)吸引主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量而使主體結(jié)構(gòu)減振的方法。這方面的研究和分析工作已做得較多，但試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用還不是很多。(5) 其他耗能減震裝置除以上介紹的耗能減震裝置和阻尼器外，還有一些其它的耗能減震方法，如偏心支撐、帶蕊鋼框支撐、隅撐支撐，耗能墻等10。3.3主動(dòng)控制3.3.1概念與原理主動(dòng)控制是一種需要外部能源驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，它通過自動(dòng)控制系統(tǒng)主動(dòng)地對結(jié)構(gòu)施加控制力，以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。其工作原理如下:傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和外部激勵(lì),將監(jiān)測的信息送入計(jì)算機(jī)內(nèi),計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的算法給出應(yīng)施加力的大小,最后,由外部能源驅(qū)動(dòng),控制系統(tǒng)產(chǎn)生所需要的力。主動(dòng)控制的控制原

18、理示意圖見圖54-5。圖5 主動(dòng)控制原理示意圖 3.3.2系統(tǒng)與裝置目前主動(dòng)控制系統(tǒng)有以下幾種。 (1)主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(AMD)主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)是由被動(dòng)控制中的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)演變來的,它通過安裝在結(jié)構(gòu)上的監(jiān)測器,連續(xù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)反應(yīng)的狀態(tài)向量,根據(jù)利卡提閉環(huán)控制理論,計(jì)算機(jī)將由時(shí)變的狀態(tài)向量和反饋向量得出控制力；然后利用電液伺服裝置,借助于附加質(zhì)量,將控制力施加于結(jié)構(gòu)（如圖6）。這種裝置能對不可預(yù)知的地震動(dòng)及隨機(jī)風(fēng)振自動(dòng)地、迅速地作出反應(yīng),控制結(jié)構(gòu)振動(dòng),使結(jié)構(gòu)保持預(yù)期的狀態(tài)。(2)主動(dòng)拉索(錨索)系統(tǒng)(ATS)60年代,Lev Zetlin在框架結(jié)構(gòu)的層間設(shè)置交叉錨索(圖7)。該控制系

19、統(tǒng)的基本原理是:在地震荷載或風(fēng)載作用下,結(jié)構(gòu)發(fā)生相對運(yùn)動(dòng),當(dāng)建筑物層間相對位移較小時(shí),錨索處于松馳狀態(tài),不起作用,而當(dāng)建筑物層間位移相對較大時(shí),錨索張起,起斜向支承作用,這就是通常說的被動(dòng)控制的錨索設(shè)計(jì);主動(dòng)錨索控制是在錨索上安裝液壓伺服系統(tǒng),并在結(jié)構(gòu)中設(shè)置傳感器,當(dāng)外力作用時(shí),傳感器把測到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)傳給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)在考慮了外激勵(lì)的不確定性后,確定對錨索施加控制力,因此,主動(dòng)錨索控制可以有效地減小結(jié)構(gòu)的反應(yīng),提高結(jié)構(gòu)的舒適性。 (3)主動(dòng)支撐系統(tǒng)(ABS)對于設(shè)置了支撐系統(tǒng)的高層建筑,可在支撐處設(shè)置主動(dòng)控制裝置。主動(dòng)控制系統(tǒng)提供的反饋系統(tǒng)可按傳感器監(jiān)測到的速度、加速度分別設(shè)計(jì)成速度反饋系

20、統(tǒng)與力反饋系統(tǒng)。圖6 二維方向的AMD試驗(yàn)裝置3.4 半主動(dòng)控制3.4.1 概念與原理半主動(dòng)控制是以被動(dòng)控制為基礎(chǔ)，利用控制結(jié)構(gòu)來主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)，對被動(dòng)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行切換，使結(jié)構(gòu)控制處于最優(yōu)狀態(tài)。與主動(dòng)控制相比，半主動(dòng)控制所需的外部能量較少，容易實(shí)施且更為經(jīng)濟(jì)，且控制效果又與主動(dòng)控制相近，因此具有較好的應(yīng)用潛力。其控制原理的示意圖見圖7。圖7 半主動(dòng)控制原理示意圖 圖8 空氣動(dòng)力擋風(fēng)板控制3.4.2 系統(tǒng)與裝置目前出現(xiàn)的半主動(dòng)控制技術(shù)主要有以下幾種:(1)主動(dòng)調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(ATMD)主動(dòng)調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量系統(tǒng)是在結(jié)構(gòu)的頂部放置慣性質(zhì)量、彈簧及阻尼系統(tǒng),通過TMD系統(tǒng)與主結(jié)構(gòu)控

21、制振型諧振來重新分配和消耗振動(dòng)能量。與被動(dòng)TMD系統(tǒng)不同的是在主動(dòng)調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)內(nèi)安裝了一套精密的設(shè)備對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。(2)可變剛度系統(tǒng)(AVS)和可變剛度衰減系統(tǒng)(AVDS)該系統(tǒng)由下列裝置構(gòu)成:監(jiān)測地震的傳感器；地震動(dòng)分析器;c.判別建筑物剛性的控制計(jì)算機(jī)；使剛度發(fā)生變化的可變裝置；電源裝置。它的工作原理是:在斜向支撐和梁之間安裝一種“圓筒銷子鎖”。地震時(shí),“銷子鎖”打開,結(jié)構(gòu)的剛度降低,減小了結(jié)構(gòu)承受的地震力。(3)空氣動(dòng)力擋風(fēng)板控制該裝置最早系應(yīng)用于航空工程,主要用來控制機(jī)翼的顫振。70年代,Klein等人首先采用空氣動(dòng)力減震器來減小高層建筑的風(fēng)振反應(yīng),其構(gòu)造如圖8。這種裝置在建

22、筑物的頂部或適當(dāng)部位設(shè)置擋風(fēng)板,在建筑物受到風(fēng)荷發(fā)生運(yùn)動(dòng)的情況下,當(dāng)建筑物運(yùn)動(dòng)方向與風(fēng)的方向相反時(shí),控制機(jī)構(gòu)張開擋風(fēng)板,擴(kuò)大建筑物的迎風(fēng)面積,擋風(fēng)板利用反方向的風(fēng)力作為結(jié)構(gòu)控制力,降低對建筑物的風(fēng)振效應(yīng);當(dāng)建筑物的運(yùn)動(dòng)方向與風(fēng)的方向相同時(shí),控制機(jī)構(gòu)自動(dòng)閉合擋風(fēng)板。由于該系統(tǒng)的控制能量來自風(fēng)力本身,因此只需要提供一小部額外能量開閉擋風(fēng)板,其實(shí)質(zhì)是改變系統(tǒng)參數(shù),因此,系統(tǒng)屬于半主動(dòng)控制的范疇。(4)可控摩擦式隔震支承它是在傳統(tǒng)的摩擦式隔震基礎(chǔ)上,安裝一個(gè)與壓力控制系統(tǒng)相連的液壓腔(如圖9),液壓腔的作用是調(diào)整摩擦阻尼面的正壓力。隔震系統(tǒng)仍采用摩擦原理,摩擦材料為聚四氟乙烯。由于摩擦阻尼面的正壓力是

23、可調(diào)控的,因此可使系統(tǒng)的隔震性能達(dá)到最優(yōu)。圖9 可控摩擦式隔震支承3.5混合控制3.5.1 概念與原理混合控制也稱雜交控制，是上述三類控制的混合應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)上同時(shí)施加主動(dòng)控制和被動(dòng)控制，整體分析其響應(yīng)，既能克服純被動(dòng)控制的應(yīng)用局限，也減小控制力，進(jìn)而減小控制外部設(shè)備的功率、體積、能源和維護(hù)費(fèi)用1,2,5。其控制原理的示意圖見圖10圖10 混合控制原理示意圖3.5.2 系統(tǒng)與裝置目前,出現(xiàn)的混合控制技術(shù)有:主動(dòng)質(zhì)量阻尼控制系統(tǒng)(AMD)和質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(TMD)、調(diào)諧液體阻尼系統(tǒng)(TLD)的混合控制4-5。AMD系統(tǒng)和TMD系統(tǒng)的混合控制常設(shè)計(jì)成以下三種方式:(1)中、小地震時(shí)采用AMD控制方式,

24、大震時(shí)當(dāng)控制力超出系統(tǒng)的能力時(shí),TMD系統(tǒng)亦參與工作;(2)用TMD系統(tǒng)控制中、小地震,大震時(shí)AMD系統(tǒng)參與工作;(3)對于雙向多維振動(dòng),分別采用AMD控制和TMD控制。(1)阻尼耗能(VE Damper)和主動(dòng)控制(ABS)的混合控制S.R.Tzan和C.P.Pantelides提出了粘彈性阻尼器(VEDamper)與主動(dòng)支撐控制 (ABS)的混合控制,在兩種不同形式的控制方式共同作用下,一方面由于粘彈性阻尼器的作用,大大減小了需要主動(dòng)支撐控制系統(tǒng)所提供的控制力,另一方面由于主動(dòng)支撐控制系統(tǒng)的作用,大大提高了粘彈性阻尼器的阻尼比,減小粘彈性阻經(jīng)器所承受的剪力,改善了粘彈性阻尼器的力學(xué)性能,提

25、高了其使用壽命。計(jì)算結(jié)果表明,ABS - VE混合控制具有良好的控制效果。(2)隔震系統(tǒng)與主動(dòng)控制系統(tǒng)(AMD)的混合控制隔震系統(tǒng)與主動(dòng)控制(AMD)的聯(lián)用研究主要包括兩個(gè)方面:一是滑動(dòng)隔震與AMD相結(jié)合的混合控制,二是采用積層橡膠隔震與AMD相結(jié)合的混合控制。由于這種混合控制既利用了切斷地震傳播路徑的控制方法,又利用了主動(dòng)控制對結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行抑制的控制方法,因此控制效果比較理想。此外,還有被動(dòng)滑動(dòng)隔震與主動(dòng)隔震相結(jié)合的混合控制。3.6智能控制3.6.1 概念與原理智能控制技術(shù)是建筑抗震結(jié)構(gòu)控制中最前沿的控制技術(shù)。人們在從事結(jié)構(gòu)控制的研究過程中，逐步把經(jīng)驗(yàn)和直覺推理、綜合判斷等人類生物技能運(yùn)用于

26、控制之中，形成了智能結(jié)構(gòu)控制的概念。智能控制是指以智能控制理論為基礎(chǔ)，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有感知、辨識(shí)、優(yōu)化和控制功能的智能系統(tǒng)，使其能感知外界和內(nèi)部狀態(tài)與性能的變化，并根據(jù)變化的具體特征對引起變化的因素進(jìn)行辨識(shí)，進(jìn)而采取最優(yōu)或近優(yōu)控制策略以使系統(tǒng)對上述因素做出合理的響應(yīng)11。從智能結(jié)構(gòu)控制的概念可以看出，智能結(jié)構(gòu)具有感知、辨識(shí)、優(yōu)化和控制四種基本功能，其基本工作原理如圖11所示12。其工作原理與人體的生物機(jī)能十分相似，傳感系統(tǒng)相當(dāng)于智能結(jié)構(gòu)的“神經(jīng)元”，信息處理系統(tǒng)相當(dāng)于智能結(jié)構(gòu)的 “大腦”，控制系統(tǒng)相當(dāng)于智能結(jié)構(gòu)的“肌肉”，而通訊系統(tǒng)相當(dāng)于智能結(jié)構(gòu)的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。這幾部分結(jié)合、統(tǒng)一、協(xié)調(diào)，各自發(fā)

27、揮特點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)具有一定的智能，能夠根據(jù)周圍環(huán)境的變化，按一定的準(zhǔn)則，主動(dòng)采取合理的措施，減小或減輕因環(huán)境變化而產(chǎn)生的反應(yīng)。圖11 智能結(jié)構(gòu)基本原理3.6.2 系統(tǒng)與裝置智能結(jié)構(gòu)的控制的實(shí)現(xiàn)途徑有：(l)基于專家系統(tǒng)的專家控制；(2)基于模糊推理和計(jì)算的模糊控制；(3)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；(4)基于信息論、遺傳算法和以上三種方法的集成型智能控制。土木工程中主要通過模糊振動(dòng)試驗(yàn)，利用模糊控制理淪和模糊邏輯中的模糊推理功能，來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的智能控制。如圖12為模糊主動(dòng)控制系統(tǒng)簡圖。圖12 模糊主動(dòng)控制系統(tǒng)3.6.3 優(yōu)勢與應(yīng)用與前面幾種控制技術(shù)相比，智能控制能夠更好地解決高度非線性問題、強(qiáng)藕

28、合、時(shí)變以及分布參數(shù)等問題，尤其是當(dāng)控制對象比較復(fù)雜時(shí)，智能控制更是顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢11-12。4 發(fā)展趨勢與展望通過許多研究者長期的努力，尤其是在最近十幾年時(shí)間里，土木工程結(jié)構(gòu)控制技術(shù)全面迅速發(fā)展起來，表現(xiàn)出生機(jī)盎然的發(fā)展趨勢。展望結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在今后的一個(gè)時(shí)期內(nèi)發(fā)展趨勢將是：首先，將被動(dòng)控制技術(shù)規(guī)范化、實(shí)用化。把目前一些比較成熟和已被實(shí)際工程證實(shí)的被動(dòng)控制技術(shù)，例如基礎(chǔ)隔振、耗能吸能減振等，進(jìn)行系統(tǒng)整理，使之逐步規(guī)范化、實(shí)用化，并編入新制訂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，以推動(dòng)其在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用。目前，這方面的工作在國內(nèi)外已經(jīng)有了一定的進(jìn)展。其次，加強(qiáng)對半主動(dòng)控制以及混合控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究和試點(diǎn)工程

29、的研究，半主動(dòng)控制和混合控制技術(shù)將是今后土木工程結(jié)構(gòu)控制的重要發(fā)展方向，所以應(yīng)該更進(jìn)一步加強(qiáng)對它們的實(shí)驗(yàn)研究和試點(diǎn)工程的研究，來驗(yàn)證它們的實(shí)際控制效果和可靠性13-14，并不斷總結(jié)、完善來達(dá)到預(yù)期的實(shí)用化的要求。最后，智能型控制技術(shù)必將有良好的使用前景。隨著我國高層建筑特別是超高層建筑的發(fā)展，必將給結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制帶來更為廣闊發(fā)展空間15。因此，采用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的智能型隔振減振結(jié)構(gòu)將會(huì)是不久的將來人們的現(xiàn)實(shí)追求。結(jié)論(1)結(jié)構(gòu)控制技術(shù)是一種積極的抗震手段，具有振動(dòng)控制效果好、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究的前沿課題。(2)被動(dòng)控制技術(shù)相對比較成熟且已經(jīng)基本進(jìn)入實(shí)用階段，今后的研究可以

30、集中在標(biāo)準(zhǔn)化、優(yōu)化設(shè)計(jì)、細(xì)部構(gòu)造、新產(chǎn)品的開發(fā)和完善 ( 包括阻尼器和其它機(jī)構(gòu)) 等方面。新產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)該以低價(jià)、高效和高性能為目標(biāo)。(3)半主動(dòng)控制技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用前景也比較看好，但是控制機(jī)構(gòu)和策略還有待進(jìn)一步改進(jìn)。(4)主動(dòng)控制技術(shù)由于其初始投資和維護(hù)費(fèi)用都很高，至少在一般多層建筑中應(yīng)用是不大可行的。(5)智能控制技術(shù)將在理論發(fā)展和高效控制器的開發(fā)等方面進(jìn)一步深入，這將給傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究帶來一場深刻的革命。參考文獻(xiàn)1 左宏亮,戴納新.建筑結(jié)構(gòu)抗震M.中國水利水電出版社.2009.2 祝英杰.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)M.北京大學(xué)出版社.2009.3 Adrian M.Chandler, Ne

31、lson T.K. Lam. Performance-based design in earthquake engineering:a multi-disciplinary review .Engineering Structures, 2003, 23(12)4 黃鐘城.淺談土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)J.科技資訊.2011(21).5 薛良鐘.關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)控制的相關(guān)問題研究J.科技資訊.2008,(35). 6  蔣建.被動(dòng)減震結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)與分析方法研究D.上海:同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院.2009. 7 米金星.新型隔震耗能支座的研究與應(yīng)用D.南京:東南大學(xué)結(jié)構(gòu)工程系

32、2007.8 徐斌,周紅衛(wèi).SRIM粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)控制上的應(yīng)用及展望C.第七屆全國地震工程學(xué)術(shù)會(huì)議.2006.9  趙均,李曉楠.高層建筑設(shè)置粘滯阻尼器的抗震研究C.首屆全國建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會(huì).2006.10 王春林.高層建筑懸掛結(jié)構(gòu)減振理論及試驗(yàn)研究D.南京:東南大學(xué)結(jié)構(gòu)工程.2009.11 于海波,王社良,吳英.淺談土木工程中智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)研究J.科技信息.2009(29).(Yu Haibo, Wang Sheliang, WuYing. In civil engineering simple analysis intelligent structure control sy

33、stemJ.Science and technology information.2009(29).)12 高蕉,閻石,周光宇.智能材料與土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制.山西建筑,2005,31(20)13 Bruce R. Ellingwood .Earthquake risk assessment of building structures.Reliability Engineering & System Safety J.2005,74(3).14 Modirzadeh, Solomon Tesfamariam, Abbas S. Milani .Performance based ea

34、rthquake evaluation of reinforced concrete buildings using design of experiments J.Expert Systems with Applications,2011,39(3).15 呂西林,翁大根.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震與結(jié)構(gòu)控制研究及其應(yīng)用C.第七屆全國地震工程學(xué)術(shù)會(huì)議.2006.論文檢索結(jié)果簡要說明（1）萬方數(shù)字化期刊檢索式：Title:建筑 Title:抗震 分類號(hào):"TU*"結(jié)果：53 最相關(guān)：11（2）Science direct Elsevier Search type: pu

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 學(xué)習(xí)體會(huì)和收獲土木工程專業(yè)研究方法論是繼土木工程專業(yè)導(dǎo)論學(xué)習(xí)之后，我所選擇的一門更系統(tǒng)更深入的專業(yè)認(rèn)識(shí)課程?？傮w而言，課程學(xué)習(xí)對我的影響主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是認(rèn)識(shí)方面的，另一個(gè)是技能方面的。認(rèn)識(shí)方面方法論的學(xué)習(xí)使我建立起對土木專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和前景的整體認(rèn)識(shí)。學(xué)習(xí)之前，我對專業(yè)的認(rèn)識(shí)淺顯，不了解專業(yè)前沿動(dòng)態(tài)，盲目認(rèn)