工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)方法與應(yīng)用

1、工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)與控制的方法與應(yīng)用【摘要】振動(dòng)控制是建筑結(jié)構(gòu)抵抗地震作用，減小地震響應(yīng)的一種有效方法。本文結(jié)合傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震與現(xiàn)代抗震技術(shù)，主要介紹了結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概念、基本原理、分類及工程應(yīng)用。重點(diǎn)闡述被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制等現(xiàn)代抗震技術(shù)的概念、原理、計(jì)算公式及工程應(yīng)用的不同特點(diǎn)。并在結(jié)合振動(dòng)控制的理念與實(shí)際工程應(yīng)用中簡單闡述自身對于工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)與控制的理解?！娟P(guān)鍵字】被動(dòng)控制 主動(dòng)控制 半主動(dòng)控制 混合控制 引言 隨著社會(huì)的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)形式日益多樣化以及輕質(zhì)高強(qiáng)材料的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼比變小。在強(qiáng)風(fēng)或強(qiáng)烈地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力反應(yīng)強(qiáng)烈，很難滿足結(jié)構(gòu)舒適性和安全性的要

2、求。 按照傳統(tǒng)的抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)方法，即以保證人的生命安全為原則的設(shè)計(jì)方法，是以概率論為基礎(chǔ)，提出三水準(zhǔn)的設(shè)防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。結(jié)構(gòu)要減小強(qiáng)震或大風(fēng)下的振動(dòng)反應(yīng)，必然要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換或耗散，傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系實(shí)際上是依靠結(jié)構(gòu)及承重構(gòu)件的損耗來消耗大部分的輸入能量，因此這種方法對某些不容許在地震中出現(xiàn)破壞的建筑結(jié)構(gòu)(如核電站)是不適用的。另外傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)只考慮了結(jié)構(gòu)物本身的抗震，并未考慮房屋內(nèi)部設(shè)備的防震，當(dāng)建筑物內(nèi)有重要設(shè)備、精密儀器等情況時(shí)(如通訊中心，醫(yī)院等)，也是不適用的。傳統(tǒng)抗震方法以“抗”為主，主要通過加大構(gòu)件截面，多加配筋來提高建筑物的抵抗地震能力，其結(jié)果是構(gòu)件截面

3、越大，建筑物剛度越大，地震作用也越大，所需構(gòu)件截面及配筋就越大，惡性循環(huán)，大大提高建筑物的造價(jià)。 由上可知，傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法在經(jīng)濟(jì)和安全上已不能滿足工程實(shí)踐中新材料、新的結(jié)構(gòu)形式不斷提出的需要，同時(shí)還不能滿足日益現(xiàn)代化的機(jī)器設(shè)備不能因?yàn)閯×艺駝?dòng)而中斷工作或者破壞的要求。從而促使工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論在工程結(jié)構(gòu)的實(shí)踐中開始得到應(yīng)用，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制可以有效地減輕結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震等動(dòng)力作用下的反應(yīng)和損傷，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力和抗災(zāi)性能，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制通過在結(jié)構(gòu)上設(shè)置控制機(jī)構(gòu)，由控制機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)共同控制抵御地震動(dòng)等動(dòng)力荷載，使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)減小。一、工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概念及原理 工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是指在結(jié)構(gòu)的特定

4、部位安裝某些特殊裝置(如隔震墊等)、某種機(jī)構(gòu)(如耗能支撐、耗能剪力墻等)、某種子結(jié)構(gòu)(如調(diào)頻質(zhì)量塊等)或施加外力，以改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力作用，使工程結(jié)構(gòu)在地震(或風(fēng))的作用下，其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)(加速度、速度、位移)得到合理的控制，確保結(jié)構(gòu)本身及結(jié)構(gòu)中的人員儀器設(shè)備的安全和處于正常的使用環(huán)境狀況。自1972年美籍華裔學(xué)者姚治（J.T.P.Yao）教授明確提出木工程結(jié)構(gòu)控制的概念以來，國內(nèi)外很多學(xué)者在結(jié)構(gòu)控制的方法、理論、試驗(yàn)和應(yīng)用等方而取得了大量研究成果。隔震消能和各種減震控制體系具有傳統(tǒng)抗震體系所難以比擬的優(yōu)越性，即明顯有效減震(能使結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)減到10%或更低)，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在外界

5、荷載作用下不至于出現(xiàn)嚴(yán)重的損壞。控制系統(tǒng)的基木元素為傳感器、處理器(也稱控制器)和作動(dòng)器。傳感器感受外部激勵(lì)及結(jié)構(gòu)反應(yīng)的變化信息；處理器接受這此信息并依據(jù)一定的控制算法計(jì)算所需控制力；作動(dòng)器則產(chǎn)生所需的控制力作用到結(jié)構(gòu)上，從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的控制。二、工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的分類及應(yīng)用 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制按照控制措施是否需要外部能源，可以分為主動(dòng)控制系統(tǒng)、半主動(dòng)控制系統(tǒng)、被動(dòng)控制系統(tǒng)及混合控制系統(tǒng)。1、結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制振動(dòng)控制中的被動(dòng)控制技術(shù)是相對于主動(dòng)控制技術(shù)和半主動(dòng)控制技術(shù)而言的，它是一種不需要外部能源、單純依靠控制裝置與結(jié)構(gòu)相互作用提供控制力的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。被動(dòng)控制的設(shè)計(jì)思想是采用直接減少振動(dòng)能量（消振）、

6、隔離振動(dòng)能量（基礎(chǔ)隔振）、轉(zhuǎn)移振動(dòng)能量（吸振減振）、消耗振動(dòng)能量（耗能減振）等方法達(dá)到減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。從控制機(jī)理上說,可以通過以下三條基本途徑實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的被動(dòng)控制。(1) 隔震：即通過在結(jié)構(gòu)特定部位設(shè)置隔震裝置阻止外界對結(jié)構(gòu)的能量輸入, 直接達(dá)到減震控制作用。隔振結(jié)構(gòu)包括上部結(jié)構(gòu)、隔震裝置和下部結(jié)構(gòu)三部分。隔震可分為基礎(chǔ)隔震和層間隔震兩類。隔震裝置具有可變的水平剛度，在強(qiáng)風(fēng)或微小地震時(shí)，具有足夠的水平剛度，上部結(jié)構(gòu)水平位移極小，不影響使用要求；在中等強(qiáng)度地震下，其水平剛度較小，上部結(jié)構(gòu)水平滑動(dòng)，使剛性的抗震結(jié)構(gòu)體系變?yōu)槿嵝愿粽鸾Y(jié)構(gòu)體系，其固有自振周期大大延長，遠(yuǎn)離上部結(jié)構(gòu)的自振周期和地面的場

7、地特征周期，從而把地面震動(dòng)有效地隔開，明顯地降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。通常情況下，隔震體系上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)值可降低為非隔震結(jié)構(gòu)的1/4l/12。由于隔震裝置的水平剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上部結(jié)構(gòu)的層間水平剛度，所以，上部結(jié)構(gòu)在地震中的水平變形，從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的“放大晃動(dòng)型”轉(zhuǎn)變?yōu)楦粽鸾Y(jié)構(gòu)的“整體平動(dòng)型”，使得上部結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震中仍處于彈性狀態(tài)，有效的保護(hù)結(jié)構(gòu)本身，同時(shí)也能有效的保護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部裝修和精密設(shè)備。由于隔震裝置具有水平彈性回復(fù)力，使隔震結(jié)構(gòu)體系在地震中具有瞬時(shí)自動(dòng)復(fù)位功能，可滿足震后的使用功能。隔震結(jié)構(gòu)體系能有效保護(hù)上部結(jié)構(gòu)，因此在各種生命線工程、宿舍樓、商場、精密儀器室等重要建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，

8、如在我國昆明新機(jī)場就采用了橡膠墊隔震裝置進(jìn)行基礎(chǔ)隔振。目前應(yīng)用和研究較廣的隔震裝置有：夾層橡膠墊隔震裝置（如圖1.1）、滾珠(滾軸)加鋼板消能裝置、粉粒墊層隔震裝置、鉛塞滯變阻尼器隔震裝置、鋼滯變阻尼器隔震裝置、基底滑移隔震裝置、懸掛基礎(chǔ)隔震裝置、混合隔震裝置等。 圖1.1 鉛芯橡膠隔震支座及其滯回曲線 (2)耗能減震：通過附加在結(jié)構(gòu)上的耗能阻尼器耗散地震能量, 來實(shí)現(xiàn)減震的目的。耗能減震技術(shù)的主要思想是把結(jié)構(gòu)物中的支撐、剪力墻等構(gòu)件設(shè)計(jì)成耗能部件或在結(jié)構(gòu)物的節(jié)點(diǎn)或連接處裝設(shè)阻尼器，在風(fēng)載或小震作用下，耗能桿件和阻尼器處于彈性狀態(tài)，當(dāng)在強(qiáng)烈地震作用下，耗能桿件或阻尼器率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)

9、生較大阻尼，耗散大量地震能量，使主體結(jié)構(gòu)避免進(jìn)入明顯非彈性狀態(tài)，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中的大幅度的損壞。耗能減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置非結(jié)構(gòu)的耗能元件（耗能器或阻尼器），結(jié)構(gòu)振動(dòng)使耗能元件在被動(dòng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中耗散結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，通過耗能裝置產(chǎn)生摩擦、彎曲彈塑性滯回變形等來耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，以減小主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞或倒塌，達(dá)到減震控震的目的。這比傳統(tǒng)的依靠結(jié)構(gòu)本身延性耗能顯然是更近了一步，耗能元件一般不改變結(jié)構(gòu)的形式，也不需要外部能量的輸入。耗能減震技術(shù)由于技術(shù)相對成熟，施工方便，設(shè)備制造相對容易，減震效果明顯等特點(diǎn)使之廣泛用于多高層建筑抗震的設(shè)計(jì)和加固中。耗能支撐

10、屬于一種耗能減震裝置，結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)物某些部位設(shè)置耗能裝置，耗能支撐正是通過在支撐結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻力器，增加支撐結(jié)構(gòu)的耗能能力。在結(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能支撐可以在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)剛度，同時(shí)又能憑借支撐中耗能器的滯回變形耗散地震能量。非承重的耗能支撐在強(qiáng)地震中能率先消耗結(jié)構(gòu)的地震能量，迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并保護(hù)主體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件免遭破壞，達(dá)到耗能減震和保護(hù)結(jié)構(gòu)的目的。由于耗能支撐適用性強(qiáng)，耗能減震效果顯著，因此在工程實(shí)踐中也得到了廣泛應(yīng)用。目前常見的耗能支撐有耗能交叉支撐、摩擦耗能支撐、耗能偏心支撐、耗能隅撐、防屈曲耗能支撐（如圖1.2）等多種形式。（a）屈曲約束支撐 （b）屈曲約束

11、支撐滯回曲線圖1.2 屈曲約束支撐形式約束構(gòu)件屈曲約束支撐普通支撐F填充材料核心支撐 (3)調(diào)諧減震：即通過振動(dòng)模態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換, 將工程結(jié)構(gòu)的主振動(dòng)轉(zhuǎn)移到附加系統(tǒng)上。常用的調(diào)諧減震控制系統(tǒng)有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)（如圖1.3）、調(diào)諧液體阻尼器(TLD)、質(zhì)量泵控制器等。TMD系統(tǒng)的控制效果對輸入地震動(dòng)頻率的依賴性較大，TLD系統(tǒng)是通過容器中液體的晃動(dòng)來消耗和吸收結(jié)構(gòu)振動(dòng)的能量。調(diào)諧液體阻尼器是一種固定在結(jié)構(gòu)上的具有一定形狀的盛水容器，它對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)控制的機(jī)理是在結(jié)構(gòu)振動(dòng)的過程中,容器中水的慣性力和波浪對容器壁產(chǎn)生的動(dòng)壓力構(gòu)成對結(jié)構(gòu)的控制力,同時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的部分能量也將由于水的黏性而耗散掉,

12、從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的目的。作為調(diào)諧減震控制系統(tǒng)中的核心部件，TMD是附加在主結(jié)構(gòu)中的一個(gè)子結(jié)構(gòu)，由質(zhì)量塊、彈簧、阻尼器組成。質(zhì)量塊通過彈簧(連接件)和阻尼器(耗能減震裝置)與主結(jié)構(gòu)連接在一起，一般支撐或懸掛在主結(jié)構(gòu)上。質(zhì)量塊的存在使原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了附加的質(zhì)量、剛度和阻尼，通過子結(jié)構(gòu)的這些基本特性調(diào)諧其自振頻率，可以使其盡量接近主結(jié)構(gòu)控制振型的振動(dòng)頻率。這樣，當(dāng)結(jié)構(gòu)在外激勵(lì)作用下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，主結(jié)構(gòu)帶動(dòng)TMD系統(tǒng)一起振動(dòng)，TMD系統(tǒng)相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力反作用到結(jié)構(gòu)上，對 （a）TMD 模型 （b）TLD 模型圖1.3 調(diào)諧阻尼器模型結(jié)構(gòu)的振動(dòng)產(chǎn)生控制，TMD系統(tǒng)中的阻尼器也將發(fā)揮耗能作用，從而達(dá)

13、到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的目的。上海全球金融中心為中國首次使用TMD的高層建筑，設(shè)計(jì)師在大樓90層、395米高處設(shè)立了2臺風(fēng)阻尼器。在測試中，當(dāng)大樓雙向搖擺達(dá)到5厘米時(shí)，阻尼器啟動(dòng)止振，止振時(shí)間僅需15秒。該裝置使用傳感器探測強(qiáng)風(fēng)時(shí)建筑物的搖晃程度，通過計(jì)算機(jī)控制重約150噸的“大鐵塊”搖擺，以抑制建筑物由于強(qiáng)風(fēng)引起的搖晃。被動(dòng)控制具有構(gòu)造簡單、造價(jià)低, 易于維護(hù)且無需外部能源支持等優(yōu)點(diǎn)，不需要外界能源，易于實(shí)現(xiàn)。目前, 許多被動(dòng)控制技術(shù)均在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用，已從醫(yī)院、橋梁、大型商場等重要性建筑物推廣到一般工業(yè)與民用建筑。結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制(包括更早開始研究的基礎(chǔ)隔震)由于不需要提供外部能源、經(jīng)濟(jì)

14、和易于工程應(yīng)用的特點(diǎn)，在我國得到了廣泛的研究和一定程度的應(yīng)用。2、結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控制 主動(dòng)控制是以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，對結(jié)構(gòu)反應(yīng)或環(huán)境干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和預(yù)測，在精確的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上運(yùn)算和決策最優(yōu)控制力，并通過作動(dòng)器對結(jié)構(gòu)施加控制力以減小或抑制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。主動(dòng)控制分開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種，開環(huán)控制是直接對結(jié)構(gòu)環(huán)境干擾進(jìn)行量測，根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析并綜合出控制律；而閉環(huán)控制是在結(jié)構(gòu)反應(yīng)觀測基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)控制。閉環(huán)控制具有較高的抗干擾能力，對系統(tǒng)元件的精度要求不高，控制效果明顯，因此得到廣泛的應(yīng)用。主動(dòng)控制的研究主要集中在主動(dòng)控制算法的運(yùn)用與處理和主動(dòng)控制裝置的開發(fā)與應(yīng)用兩個(gè)方面。 圖1.4

15、 結(jié)構(gòu)AMD系統(tǒng)示意圖結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制算法仍是以現(xiàn)代控制理論中的算法為依據(jù)，一些算法根據(jù)土木工程結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)作出特殊的處理。目前運(yùn)用的主動(dòng)控制算法主要有經(jīng)典線性最優(yōu)控制法、瞬時(shí)最優(yōu)控制法、隨機(jī)最優(yōu)控制法、極點(diǎn)配置法、獨(dú)立模態(tài)空間控制法、界限狀態(tài)控制法、自適應(yīng)控制法、預(yù)測控制法、滑動(dòng)模態(tài)控法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法。主動(dòng)控制算法是主動(dòng)控制的基礎(chǔ)，它的目標(biāo)是使主動(dòng)控制系統(tǒng)在滿足其狀態(tài)方程和各種約束條件下，選擇合理的增益 AMD系統(tǒng)（圖1.4）是目前研究和應(yīng)用較多的主動(dòng)控制系統(tǒng)，它由被動(dòng)控制中的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）演變而來。矩陣，尋找最優(yōu)的控制參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到較優(yōu)的性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的最優(yōu)控制

16、。國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過多年的研究，已提出上述多種算法，但至今為止，普遍采用的是經(jīng)典線性最優(yōu)控制算法及瞬時(shí)最優(yōu)控制算法。 AMD系統(tǒng)由質(zhì)量塊和主動(dòng)作動(dòng)器組成。由外部能源驅(qū)動(dòng)其慣性質(zhì)量運(yùn)動(dòng)，將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)锳MD慣性質(zhì)量的動(dòng)能和阻尼元件的耗散能，同時(shí)AMD系統(tǒng)通過其在結(jié)構(gòu)上的支承提供減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制力。AMD主動(dòng)控制的發(fā)展已有十幾年的歷史了,1989年由日本的Ka汁ma公司率先完成了世界上主動(dòng)控制的實(shí)踐工程位于東京的11層的KyobashiSeiwa大廈,同年在美國國家地震工程研究中心,由SOONG等人完成了世界上第一個(gè)AMD主動(dòng)控制試驗(yàn)AMD系統(tǒng)的應(yīng)用已相當(dāng)普遍并取得了成功。目前世界

17、已建成了帶有AMD控制系統(tǒng)的幾十座高層建筑、電視塔等大型橋塔結(jié)構(gòu)。在國內(nèi)，田石柱和劉季等人率先開展了結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究，完成了5層1:4模型框架的AMD振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。張春巍、歐進(jìn)萍等人研究了海洋平臺結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)和地震反應(yīng)控制問題，進(jìn)行了原型平臺結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)和地震反應(yīng)的AMD控制仿真分析。南京電視塔也采用了AMD進(jìn)行風(fēng)振控制。實(shí)踐證明，AMD系統(tǒng)能有效地減小風(fēng)振和地震反應(yīng)。1994年日本東京建成高134.4米的岸住田大樓在頂層安裝了兩個(gè)AMD，質(zhì)量塊m=1.5t,最大滑動(dòng)位移100cm,驅(qū)動(dòng)器最大出力8.7t。該結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了地震考驗(yàn)，從實(shí)測結(jié)果看，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)比無控下減小了50%-8

18、0%，說明AMD系統(tǒng)能有效地減小地震反應(yīng)。主動(dòng)控制的控制力由外加能源主動(dòng)施加，振動(dòng)控制設(shè)計(jì)的目的是如何合理選擇控制力的施加規(guī)律，以使產(chǎn)生的控制力對結(jié)構(gòu)的控制效果最好。研究的控制算法主要有最優(yōu)控制算法、瞬時(shí)最優(yōu)控制算法、智能控制算法(如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等)、極點(diǎn)配置算法、自適應(yīng)控制算法等。對主動(dòng)控制裝置研究較多的是主動(dòng)控制調(diào)諧質(zhì)量控制系統(tǒng)(AMD )、主動(dòng)錨索控制系統(tǒng)、主動(dòng)支撐系統(tǒng)等，其中哈爾濱建筑大學(xué)成功進(jìn)行的結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制試驗(yàn)的整套AMD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和調(diào)試均是自行完成的。 雖然結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控制較之被動(dòng)控制效果更加明顯，但由于主動(dòng)控制需要輸入較多的外部能源，再加上系統(tǒng)的可靠性問題、以及時(shí)

19、性更復(fù)雜和昂貴的硬件設(shè)備等原因，在我國主動(dòng)控制的研究更多地集中于主動(dòng)控制算法、效果仿真分析和控制裝置的試驗(yàn)研究等方面。3、半主動(dòng)探制半主動(dòng)控制是一種處于被動(dòng)控制和主動(dòng)控制之問的一種比較新穎的控制方法。它是根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)或動(dòng)荷載的信息，實(shí)時(shí)改變結(jié)構(gòu)的參數(shù)(如阻尼，剛度等)來減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的響應(yīng)。半主動(dòng)控制不需要直接向結(jié)構(gòu)施加控制力，所需能量輸入很小，卻能達(dá)到接近主動(dòng)控制的控制效果，其經(jīng)濟(jì)性、可靠性和高效性的優(yōu)點(diǎn)非常適合我國國情，將成為我國建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的主要發(fā)展方向。圖1.5 主動(dòng)變剛度結(jié)構(gòu)示意圖 半主動(dòng)控制可分為變剛度和變阻尼兩種。日本學(xué)者Kobori等首先提出主動(dòng)變剛度(AVS)控制技術(shù)

20、，通過探測并預(yù)見地震的特性，改變和控制結(jié)構(gòu)的剛度，使結(jié)構(gòu)的周期避開地震的卓越周期，建立一種所謂的非共振狀態(tài)，并且是從全局上施加的控制作用，從而有效地達(dá)到了減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的目的,主動(dòng)變剛度結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。主動(dòng)變阻尼(AVD)控制系統(tǒng)由Hrovat首先提出，他對應(yīng)用可變阻尼器控制結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)進(jìn)行了研究，通過數(shù)值仿真分析，得到了與主動(dòng)控制接近的效果。李忠獻(xiàn)等結(jié)合國內(nèi)外對AVD控制技術(shù)研究理論和研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，提出了MR阻尼器應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的變阻尼控制技術(shù)。計(jì)算實(shí)例分析結(jié)果表明，采用MR阻尼器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行半主動(dòng)控制能夠有效地減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。主動(dòng)變剛度控制實(shí)質(zhì)上是根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)過程中位移

21、和速度狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)可變剛度的開關(guān)狀態(tài)，吸收和釋放振動(dòng)能量。當(dāng)打開增加剛度開關(guān)時(shí)，控制裝置充分吸收振動(dòng)能量；當(dāng)關(guān)閉增加剛度開關(guān)時(shí)，控制裝置消耗和釋放吸收的振動(dòng)能量。譚平等將主動(dòng)變剛度(AVS)控制和主動(dòng)變阻尼(AVD)控制有機(jī)地結(jié)合起來，提出了一種嶄新的半主動(dòng)控制技術(shù)一主動(dòng)變剛度阻尼(AVSD)控制。通過增加可變阻尼項(xiàng)，增強(qiáng)了主動(dòng)變剛度控制裝置在釋放能量階段的耗能效果，不僅具有AVS控制系統(tǒng)能動(dòng)地避開地震動(dòng)卓越周期的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有AVD控制系統(tǒng)消減反應(yīng)峰值，對較寬頻帶內(nèi)的外界激勵(lì)所具有的非頻變的減振特性。 半主動(dòng)控制方法是目前性能價(jià)格比最高、最具工程應(yīng)用前景的一種結(jié)構(gòu)控制方法。它既可以主動(dòng)避開

22、地震卓越頻率，又具有非頻變的減震性能，同時(shí)避免了主動(dòng)控制需要大量外部能源的缺點(diǎn)，在控制措施方面還沿用被動(dòng)控制系統(tǒng)的措施，經(jīng)濟(jì)有效。半主動(dòng)控制技術(shù)在日本已有應(yīng)用，如日本鹿島公司東京鹿島技術(shù)研究所大樓是世界上第一座采用主動(dòng)變剛度控制系統(tǒng)的建筑物，并于1990年建成。在此系統(tǒng)中，應(yīng)用液壓元件改變剛性支撐和大梁的連接條件，隨時(shí)調(diào)節(jié)層間剛度，避免共振，該系統(tǒng)能耗比較低，所配備的備用電源在市電停止供應(yīng)時(shí)尚可工作3分鐘。4、混合控制 混合控制是將主動(dòng)控制與被動(dòng)控制裝置同時(shí)施加于同一結(jié)構(gòu)上，協(xié)調(diào)共同工作的一種結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制形式?；旌峡刂茖⒅鲃?dòng)控制與被動(dòng)控制相結(jié)合，取長補(bǔ)短，被動(dòng)控制由于引入了主動(dòng)控制，其控制效果

23、顯著增強(qiáng)，系統(tǒng)可靠性得以提高；另一方面，主動(dòng)控制由于被動(dòng)控制的參與，主動(dòng)控制所需的控制力大大減小，抗震系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性都較主動(dòng)控制有所增強(qiáng)?；旌峡刂茝钠淇刂圃鸬淖饔孟鄬Υ笮砜矗袃煞N組合形式：(1) 主從組合形式：即以某一控制元件為主，其他控制元件通過主要元件實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的控制；(2) 并列組合形式：即兩種控制形式各自獨(dú)立工作，對結(jié)構(gòu)實(shí)施校正作用。 目前研究較多的是以被動(dòng)控制為主，主動(dòng)控制為輔的主從結(jié)合方式，存在以下兩種典型的混合控制方案：(1)被動(dòng)控制作為結(jié)構(gòu)對常遇荷載作用的保護(hù)裝置，主動(dòng)控制系統(tǒng)作為結(jié)構(gòu)抵抗罕遇地震作用的元件，是結(jié)構(gòu)破壞的最后一道防線。(2)被動(dòng)控制作為控制系統(tǒng)的

24、主體，主動(dòng)控制對被動(dòng)控制系統(tǒng)減小限位控制，并提供被動(dòng)控制系統(tǒng)所需要的恢復(fù)力。目前研究較多的混合控制裝置有：AMD與TMD的混合控制；阻尼耗能與主動(dòng)控制的結(jié)合；隔震與AMD的混合控制；其他如液壓一質(zhì)量振動(dòng)控制系統(tǒng)(HMS)與主動(dòng)AMD相結(jié)合，錨索系統(tǒng)與鎮(zhèn)定錨索系統(tǒng)等。 我國在混合控制方面進(jìn)行了有特色的研究，提出的混合控制系統(tǒng)有AMD和TLD組合的混合控制系統(tǒng)、AMD和HDS組成的混合控制系統(tǒng)等，并對混合控制系統(tǒng)的性能及對結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)抗震進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的核心裝備是振動(dòng)控制裝置。隨所選用的振動(dòng)控制裝置不同，其控制效果及設(shè)計(jì)分析方法也不同。國內(nèi)外專家已進(jìn)行了多年的理論和實(shí)驗(yàn)研究，提

25、出不少很好的方法和措施。 在這四種控制技術(shù)中，主動(dòng)控制的效果最好，但由于建筑結(jié)構(gòu)體形巨大導(dǎo)致所需的外加能源較大，加之控制裝置的控制的算法比較復(fù)雜，而且存在時(shí)滯問題，因此其應(yīng)用程度少于其他三種控制技術(shù)；被動(dòng)控制造價(jià)低廉，減震效果良好，容易實(shí)現(xiàn)，目前發(fā)展最快，應(yīng)用最廣，在最新出臺的建筑抗震規(guī)范中已有少量描述，尤其是其中的基礎(chǔ)隔震技術(shù)已相當(dāng)成熟，并得到了一定程度的推廣應(yīng)用，但被動(dòng)控制對地震激勵(lì)的普適性差，即按照某一地震激勵(lì)設(shè)計(jì)的控制結(jié)構(gòu)在其他地震激勵(lì)下的減震效果未必很好；半主動(dòng)控制介于主動(dòng)控制之間，其控制精確度較高，造價(jià)較主動(dòng)控制低廉，而且不需要較大的動(dòng)力源，因此其具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景；混合控制

26、綜合了某幾種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，因此其具有較好的控制效果，發(fā)展前景較為廣闊。三、結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的工程應(yīng)用在過去的多年中有了較大的發(fā)展，國際上，美國、日木、澳大利亞、新酉蘭和法國等國家在這方而走在前列。經(jīng)過20多年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)控制現(xiàn)在正朝著研制高效的被動(dòng)控制裝置、發(fā)展以參數(shù)控制為主的半主動(dòng)控制和探索結(jié)構(gòu)智能控制的方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)控制的概念幾經(jīng)完善。在理論方面，他們成功地借鑒了其他領(lǐng)域中的控制理論，為結(jié)構(gòu)控制找到了可行的分析和計(jì)算方法。在實(shí)際工程應(yīng)用中也設(shè)計(jì)出一些有效的控制裝置，尤其是被動(dòng)控制系統(tǒng)(如基底隔震系統(tǒng))在一些高層建筑中得到了具體的應(yīng)用。相比之下，我國的結(jié)構(gòu)控制更多地仍處在理論研究上，國內(nèi)學(xué)者自20世紀(jì)80年代初期以來，對夾層橡膠墊隔震結(jié)構(gòu)、粘彈性阻尼器TMD和TLD耗能支撐層間隔震、主動(dòng)控制等方面的進(jìn)行了研究，雖然取得了一系列國內(nèi)外矚日的研究成果，但實(shí)際工程應(yīng)用極其有限，已安裝在建筑物上的控制裝置也主要是隔震裝置。 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論與減震技術(shù)為建筑物的抗震提供了一條有效可行的新途徑。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論將