建筑結(jié)構(gòu)隔震與減震控制施工技術(shù)6587

建筑結(jié)構(gòu)隔良與減震控制關(guān)鍵技術(shù)概況建筑結(jié)構(gòu)減振防災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)是利用控制理論的基本思想，通過在建筑結(jié)構(gòu)上附加隔減震裝置，通過對地震、強(qiáng)風(fēng)等動力作用的抑制和利用，實現(xiàn)提高建筑結(jié)構(gòu)綜合防災(zāi)能力，保障人民生命和財產(chǎn)安全，減輕和避免地震等自然災(zāi)害對建筑結(jié)構(gòu)損傷作用的LI的。本項LI根據(jù)國內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和我國處于高烈度地震多發(fā)區(qū)的客觀情況，以先進(jìn)實用的隔震與減振裝置開發(fā)為重點(diǎn)，立足于工程應(yīng)用和產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合，經(jīng)過多年的研究開發(fā)與技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)了系列的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型的隔震與減振裝置，對這些裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實驗研究匚作，提出了若干分析計算算法，并在具體工程中得到試點(diǎn)應(yīng)用。形成了從設(shè)計和驗算方法、配套裝置到施工方法的完整系統(tǒng)的科技成果。在減隔震體系分析設(shè)計理論和算法方面，形成了建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)機(jī)理與評價、減隔振系統(tǒng)模型與分析訃算方法、主動智能半主動控制算法三部分共十項理論成果，對于抗震設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值；在新型減隔震控制裝置方面，根據(jù)使用對象和控制LI標(biāo)研制了包括新型隔震控制裝置、新型耗能減振控制裝置、智能型和其他控制裝置三類十種裝置;在減隔震技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方面，通過積極的工程推廣應(yīng)用，不僅發(fā)現(xiàn)和解決了理論上和試驗條件下難以顯現(xiàn)的工程技術(shù)問題，并且積累了加工和施工經(jīng)驗，培育和鍛煉了相關(guān)設(shè)訃、生產(chǎn)和施工隊伍，為我國隔震和減振技術(shù)的普及打下了基礎(chǔ)?？萍汲晒麅?nèi)容本項LI在國家計委重點(diǎn)科技項LI（攻關(guān)）訃劃專題（編號*****）、國家自然科學(xué)基金項U（編號和環(huán)柯V）、水桂*筑總公司科技研究開發(fā)計劃等科研課題的支持下，通過*林建設(shè)集團(tuán)有限公司、*****集團(tuán)有限公司等科研院校和企事業(yè)單位近30名科研人員歷時10余年的不懈努力和聯(lián)合攻關(guān)，對建筑結(jié)構(gòu)地震和風(fēng)致振動控制的基本理論和方法進(jìn)行了研究，發(fā)展和完善了建筑結(jié)構(gòu)減隔震（振）控制的理論體系和相應(yīng)的實用設(shè)計方法，研制了多種性能優(yōu)異的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型減隔震控制裝置，研制了多種性能優(yōu)異的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型減隔震控制裝置，形成了從設(shè)計和驗算方法、配套裝置到施工方法的完整系統(tǒng)的科技成果，部分已應(yīng)用于北京*料*（林林辦公樓）等近20余項實際工程，推動了結(jié)構(gòu)減振控制在我國的推廣應(yīng)用進(jìn)程。2.1減隔震體系分析設(shè)計理論和算法充分考察建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)機(jī)理和隔震與減振裝置的力學(xué)模型是有效實施隔震與減振控制的基本前提。本項□立足國內(nèi)外研究前沿，對建筑結(jié)構(gòu)抗震、隔震和減振理論和算法開展了全面的研究工作，不僅針對被動控制體系提出了相應(yīng)的設(shè)訃計算方法，對主動/半主動控制體系的智能控制策略也開展了大量的研究上作，形成了建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)機(jī)理與評價、減隔振系統(tǒng)模型與分析計算方法、主動智能半主動控制算法三部分內(nèi)容，研究成果對于抗震設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。2.1.1建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)機(jī)理與評價（1）在不同服役期內(nèi)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防水準(zhǔn)的簡化計算方法我國現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范以50年為設(shè)計的基準(zhǔn)期，要求結(jié)構(gòu)在此期間滿足具備正常的服役性能。顯然這種標(biāo)準(zhǔn)服役期是針對大多數(shù)普通建筑物而言的，不同的建筑物所要求的服役期長短可能會有所不同。關(guān)于抗震設(shè)防烈度和對應(yīng)的地震重現(xiàn)期（與超越概率對應(yīng)）的規(guī)定以“中震”（基本烈度地震）烈度為基礎(chǔ)來確定“小震”和“大震”對應(yīng)的烈度，“小震”和“大震”的概率含義實際是平均意義上的一種人為的約定，對于給定的地區(qū)或場地，如果明確規(guī)定“小震”和“大震”的重現(xiàn)期分別為50年和1975年，相應(yīng)的烈度就不能保持比“中震”減小1.55度和“大震”增加1.00度，反之，如果“小震”和“大震”明確為比“中震”減小1.55度和增加1.00度，相應(yīng)的重現(xiàn)期就不能保持為50年和1975年，這是抗震設(shè)訃規(guī)范中設(shè)防水準(zhǔn)概率含義中存在的不明確的一方面。U詢抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)中的“三水準(zhǔn)二階段”設(shè)計，名義上以“小震”時的抗震強(qiáng)度驗算為主要對象，III于其概率水準(zhǔn)并不是“小震”時的實際值，而是發(fā)生基本烈度地震的概率水準(zhǔn)，因此是在一定延性要求之下對基本烈度地震的驗算。工程界迫切希望有一個簡單的抗震設(shè)防水準(zhǔn)估計方法，以便了解設(shè)防烈度隨服役期的變化規(guī)律，因此本項LI假定〃小震”和〃大震”的概率定義是確定的，與“中震”相比其烈度差異在平均意義上分別為-1.55和+1.00度（對9度區(qū)為+0.50度）。基于“小震”和“大震”間的近似比例關(guān)系，通過二次項插值得到了不同概率水準(zhǔn)（重現(xiàn)期）的設(shè)防烈度和抗震設(shè)il。地震動參數(shù)的實用訃算公式。所提出的對不同服役期內(nèi)設(shè)防烈度的估計方法,可用于重大工程的方案和初步設(shè)計和一般工程的抗震設(shè)訃。（2）基于反應(yīng)譜的復(fù)振型疊加方法大量上程實踐表明，盡管依據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范設(shè)計的建筑物在地震作用下可以有效避免人員傷亡和控制結(jié)構(gòu)的破壞程度，然而山于性能下降和維修耗資所造成的經(jīng)濟(jì)損失卻往往很大。正因如此，基于性能的抗震設(shè)計理論日益受到重視?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計的基本LI標(biāo)是要全面考慮地震可能造成的各種危害，有針對性地采取防范措施，與傳統(tǒng)的抗震設(shè)汁相比，主要體現(xiàn)了精細(xì)化、數(shù)量化和多樣化（性能LI標(biāo)和設(shè)訃標(biāo)準(zhǔn)）的特點(diǎn)，將以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的設(shè)計上升到理性和定量的設(shè)計。本成果結(jié)合消能減振系統(tǒng)發(fā)展了抗震性能設(shè)訃方法，提出了基于復(fù)振型結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)解耦技術(shù)，發(fā)展了大阻尼系統(tǒng)的地震反應(yīng)振型分解理論。研究了一般非正交阻尼結(jié)構(gòu)在地震地面運(yùn)動影響下的動力反應(yīng)分析方法，此方法將復(fù)振型地震響應(yīng)疊加解中關(guān)于余弦函數(shù)的杜哈美積分表示為該相應(yīng)模態(tài)地震位移和速度響應(yīng)的線性組合。本項LI研究中提出的基于反應(yīng)譜的復(fù)振型疊加法（建立于復(fù)振型分解理論的基礎(chǔ)上）對于按照抗震規(guī)范設(shè)有消能阻尼器的減震系統(tǒng)如何有效進(jìn)行地震反應(yīng)分析具有重要的理論意義和實用價值。為了計算的方便，通常假定實際上程結(jié)構(gòu)的阻尼特性為系統(tǒng)質(zhì)量和剛度矩陣的線性組合，即所謂的瑞利阻尼，從而可以使問題按經(jīng)典無阻尼振型解耦。實踐表明，比例阻尼的假定對阻尼較小、質(zhì)量和剛度分布比較均勻的建筑物是可以接受的，此時，系統(tǒng)動力學(xué)問題可以近似按經(jīng)典振型解耦，進(jìn)而求解體系反應(yīng)。然而當(dāng)動力系統(tǒng)的上述特性分布很不均勻時，比例阻尼結(jié)構(gòu)假定會給系統(tǒng)動力反應(yīng)分析帶來顯著的誤差。隨著阻尼器的廣泛應(yīng)用，結(jié)構(gòu)的阻尼可以比較大，并能按照設(shè)訃要求設(shè)置。這已成為改善結(jié)構(gòu)抗震性能的重要手段。在這種情況下非比例阻尼問題也可以看成是抗震性能設(shè)計的一個組成部分。另外，對于非比例阻尼體系，用經(jīng)典振型分解，使各振型廣義坐標(biāo)硬性解耦，然而可能即使考慮了所截取振型廣義坐標(biāo)間的相關(guān)，有時也會產(chǎn)生較大的誤差。因此采用理論上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膹?fù)振型（非經(jīng)典振型）分解法來計算或分析非比例阻尼系統(tǒng)的反應(yīng)是很有必要的。本成果將二階微分方程降階化為一階微分方程，然后解耦求解各個復(fù)模態(tài)，最終將一般有阻尼體系的地震反應(yīng)按照復(fù)振型分解法看作N個單自山度體系對同樣基底運(yùn)動下反應(yīng)之和，所不同的是在這種情況下每個單自由度體系的反應(yīng)都是山位移和速度兩部分組成。為了將非比例阻尼系統(tǒng)地震反應(yīng)復(fù)振型疊加的一般公式能應(yīng)用于根據(jù)給定的反應(yīng)譜（包括規(guī)范譜）計算最大反應(yīng)，與經(jīng)典的無阻尼振型分解方法一樣，需要解決各振型的隨機(jī)耦合問題。對于非比例阻尼系統(tǒng)，山于各振型的地震反應(yīng)不僅與對應(yīng)質(zhì)點(diǎn)系的位移反應(yīng)有關(guān)，而且還與速度反應(yīng)在振型組合方面將面臨更大的困難。應(yīng)用反應(yīng)譜振型疊加方法在一般情況下仍有可能獲得地震反應(yīng)最大值的較精確結(jié)果，在一定保證概率之下提出了兩種近似分析方法。理論分析及算例比較表明，所提出的反應(yīng)譜疊加方法可以直接應(yīng)用于設(shè)置阻尼器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，具有較好的計算精度，實用性強(qiáng)，適合在結(jié)構(gòu)性能設(shè)計中實際應(yīng)用。（3）靜力彈塑性分析方法的改進(jìn)為了更好地滿足高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計對計算方法的特殊要求，本項LI提出了一種基于Push-Over方法改進(jìn)的結(jié)構(gòu)彈塑性靜力與動力分析方法。將循環(huán)往復(fù)加載過程近似看成是一次地震作用過程，建立了循環(huán)往復(fù)側(cè)推的多振型高層建筑結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析方法。以循環(huán)往復(fù)側(cè)推的各階振型等效恢復(fù)力模型為基礎(chǔ)，發(fā)展了能考慮高階振型影響的高層建筑結(jié)構(gòu)頂層位移訃算方法。該方法克服了常規(guī)Pushover分析方法的局限性，為推廣應(yīng)用Pushover方法進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能評估提供了依據(jù)。（4）結(jié)構(gòu)動力精細(xì)積分方法的改進(jìn)本成果基于將精細(xì)積分方法的基本原理與高斯積分方法結(jié)合起來，建立了新的精細(xì)積分格式。新的積分格式只需進(jìn)行指數(shù)矩陣運(yùn)算，避免了矩陣求逆問題，無須對非齊次項進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，整個積分格式的訃算精度取決于高斯積分點(diǎn)的數(shù)量。通過算例對比表明，該算法具有效率高和精度高的優(yōu)點(diǎn)，豐富了結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)計算的數(shù)值計算手段。2.1.2減隔振系統(tǒng)模型與分析計算方法（1）隔振系統(tǒng)分析設(shè)計方法建立了基于SIMULINK與STATEFLOW的基礎(chǔ)滑移隔震仿真分析方法；研究了基礎(chǔ)滑移隔震體系地震反應(yīng)譜的一般特征，并對反應(yīng)譜進(jìn)行了統(tǒng)訃分析，驗證了該體系采用反應(yīng)譜分析的可行性與可靠性。進(jìn)行了滑移隔震模型結(jié)構(gòu)反應(yīng)仿真計算，研究了該體系極值反應(yīng)的統(tǒng)計特征和最優(yōu)概率模型；給出了雙自由度模型分析參數(shù)R的計算公式及其分析精度，并給出了一個優(yōu)化的R的建議值。提出了隔震建筑結(jié)構(gòu)基本體系的概念及分解方法；研究了地震反應(yīng)與雙線性隔震體系基本參數(shù)的關(guān)系譜圖;研究了雙線性和庫侖摩擦隔震體系地震反應(yīng)中的動力相似關(guān)系，滑移隔震體系雖然不符合疊加原理，但通過其中的動力相似關(guān)系，任何輸入幅值下滑移隔震結(jié)構(gòu)的任何反應(yīng)都可山某一固定輸入幅值下隔震結(jié)構(gòu)相應(yīng)反應(yīng)經(jīng)修正得到，理論上這種修正不含任何誤差，使滑移隔震結(jié)構(gòu)體系非線性反應(yīng)譜得到極大簡化。研究了并聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系中最大摩擦力與彈性恢復(fù)力關(guān)于摩擦系數(shù)和體系隔震周期的關(guān)系；并聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系在各固定烈度和特點(diǎn)場地條件下，體系反應(yīng)的概率分布特征；并聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系的隔震效率對最大摩擦力與彈性恢復(fù)力比的敬感性分析;通過對并聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究，建立了房屋并聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系的反應(yīng)譜理論和設(shè)計方法，并驗證了該體系的可行性與可鼎性，為該體系的工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。給出了并聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系的簡化力學(xué)模型，研究典型并聯(lián)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隔震層參數(shù)對隔震體系各反應(yīng)指標(biāo)的影響特點(diǎn)，探討了并聯(lián)基礎(chǔ)隔震體系隔震層參數(shù)的合理選擇問題。在一定限度內(nèi)，增加隔震層剛度兒乎不會改變上部結(jié)構(gòu)的最大層間剪力，不會改變結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的頻譜特性，但對于隔震層最大滑移位移和殘留位移卻有非常顯著的限制作用。風(fēng)致振動控制的等效阻尼比統(tǒng)一公式和計算方法將順風(fēng)向脈動風(fēng)和橫風(fēng)向渦激干擾等效為高斯平穩(wěn)隨機(jī)過程，從時域和頻域兩個方面建立了高聳結(jié)構(gòu)隨機(jī)風(fēng)振控制的基本理論。在時域上，提出了考慮風(fēng)速或風(fēng)力在時間和空間上相關(guān)性的人造脈動風(fēng)力和渦激干擾樣本產(chǎn)生的三角級數(shù)模型。建立了基于現(xiàn)代控制理論的結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)主動控制的實時最優(yōu)控制算法，并對結(jié)構(gòu)風(fēng)振被動控制建立了基于步步積分法的規(guī)劃優(yōu)化方法；在頻域上，提出了脈動風(fēng)荷載的兩種成型濾波器模型，建立了結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)主動控制的隨機(jī)最優(yōu)控制理論。在隨機(jī)最優(yōu)控制理論的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)風(fēng)振被動控制裝置參數(shù)設(shè)計的三種方法一準(zhǔn)最優(yōu)控制算法、受控結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)參數(shù)優(yōu)化方法和虛擬激勵方法，并對非線性被動動力減振器提出了基于動力減振器運(yùn)動方程等價線性化的風(fēng)振控制設(shè)訃方法。建立了多種減振器對高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制效果的等效阻尼比的統(tǒng)一公式，并提出了求取各種阻尼器對高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制效果等效結(jié)構(gòu)阻尼比的傳遞函數(shù)等效方法，建立了依據(jù)風(fēng)振控制效果而修正的設(shè)訃風(fēng)荷載，并按常規(guī)分析方法進(jìn)行高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制設(shè)計計算的實用方法。（3）被動裝置地震反應(yīng)控制的設(shè)計計算方法研究了粘滯流體阻尼器用于建筑結(jié)構(gòu)消能減振（震）設(shè)計的設(shè)計原理和分析方法，主要包括：阻尼器的設(shè)置、耗能支撐的設(shè)計、消能減振建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及設(shè)防LI標(biāo)，振型分解反應(yīng)譜法、時程分析法和實用設(shè)計步驟和阻尼器參數(shù)的優(yōu)化分析。建立了阻尼器支撐的設(shè)計方法，以及附加水平控制力、附加有效阻尼比和總有效阻尼比、地震影響系數(shù)、阻尼矩陣的計算方法。給出了消能減振結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)訃算、截面抗震驗算和抗震變形驗算的方法和應(yīng)該注意的問題，給出了實用設(shè)計步驟。采用雙模型動力分析方法對加入粘滯阻尼器的高聳進(jìn)行了分析研究，即在建立廣義控制力作用位置矩陣和汁算阻尼器兩端的相對位移過程中運(yùn)用同一結(jié)構(gòu)模型，同時對采用線性和非線性粘滯阻尼器的高聳結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)振和地震響應(yīng)控制研究，提出了相應(yīng)的耗能減振的設(shè)計計算方法。分別用等效線性化理論、復(fù)模態(tài)理論和現(xiàn)代控制理論對加入粘彈性阻尼器的結(jié)構(gòu)和毗鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性動力反應(yīng)分析和比較，進(jìn)行了安裝粘彈性阻尼器結(jié)構(gòu)的空間優(yōu)化及考慮阻尼器參數(shù)和結(jié)構(gòu)共同工作的整體優(yōu)化分析研究；進(jìn)行了裝有粘彈性阻尼器的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型的振動臺試驗，研究了粘彈性阻尼器對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的減震效果、阻尼器對結(jié)構(gòu)動力特性的影響以及在結(jié)構(gòu)中不同位置設(shè)置阻尼器時結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)；結(jié)合工程實際，給出了粘彈性耗能支撐的兒種常用型式及各類斜撐的水平控制力訃算公式，并提出了加入粘彈性阻尼器結(jié)構(gòu)的兩階段一兩步驟設(shè)訃方法，為上程結(jié)構(gòu)減振控制設(shè)計應(yīng)用粘彈性阻尼器提供了具體的設(shè)計和分析方法。對采用不同液體和不同構(gòu)造措施的調(diào)頻液體阻尼器（TLD）分析了液體晃動的頻率、阻尼比及其對TLD減振性能的影響，建立了晃動液體的勢流場，基于動力效應(yīng)等效原則，建立其等效力學(xué)模型。研究了采用粘滯阻尼器的調(diào)頻質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)(TMD)用于大跨結(jié)構(gòu)和高柔結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理。山于阻尼的存在，TMD子結(jié)構(gòu)的調(diào)諧頻帶加寬，子結(jié)構(gòu)位移被限制在一定范圍之內(nèi)，有效削減結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)。進(jìn)行了高聳結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下TLD、TMD、及其混合控制研究。推導(dǎo)了TLD對結(jié)構(gòu)風(fēng)振反應(yīng)的控制力和控制效果的等效阻尼比；已經(jīng)了懸吊AMD對設(shè)置TLD結(jié)構(gòu)脈動風(fēng)掘反應(yīng)的最優(yōu)控制分析方法，將TLD控制效果轉(zhuǎn)換為等效平均線性阻尼比，在迭加于結(jié)構(gòu)控制振型的阻尼比上，求取AMD主動控制時變Riccati矩陣，按管流模型模擬AMD主動控制力和加載過程，得到AMD每一瞬時考慮時遲調(diào)整的最優(yōu)控制力。提出了適用于任意風(fēng)向的高聳結(jié)構(gòu)的主動質(zhì)量阻尼器AMD設(shè)訃的關(guān)鍵技術(shù)，建立了AMD對高聳結(jié)構(gòu)主動控制的分析方法。2.1.3主動智能半主動控制算法(1)主動變剛度-阻尼(AVS-D)控制技術(shù)本成果根據(jù)半主動控制的需要提出了主動變剛度-阻尼控制的概念，基于瞬時最優(yōu)控制的思想提出了主動變剛度-阻尼(AVS-D)控制的控制律，將Kobori提出的根據(jù)受控結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)和速度反應(yīng)符號確定的控制律推廣至變剛度-阻尼控制，提出了一種主動變剛度-阻尼控制(AVS-D)裝置，針對這一裝置，進(jìn)行了AVS-D(3)結(jié)構(gòu)離復(fù)位控制策略離復(fù)位控制策略的核心思想是限制結(jié)構(gòu)零位置穿越速度以盡可能孤立每個往復(fù)運(yùn)動，防止動力效應(yīng)的累積。以此為基礎(chǔ)，可以與模糊控制理論相結(jié)合形成具體的控制算法，包括離散控制和連續(xù)控制兩種。本項U提出并進(jìn)一步發(fā)展了離復(fù)位控制策略，并分別結(jié)合相平面法和模糊控制理論，提出了相應(yīng)的直接控制法與間接控制法。離復(fù)位控制具有類似智能控制的優(yōu)點(diǎn)，直接法是指作為一種分級振動控制方法直接實施，間接法是指用于生成結(jié)構(gòu)模糊控制系統(tǒng)的控制規(guī)則，與模糊控制結(jié)合使用。無論采取兩者中任一種途徑，離復(fù)位控制均無需建立控制系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型即可有效實施控制，容許結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)本身內(nèi)嵌的參數(shù)不確定性、非線性和時變特性等因素存在，具有容錯性強(qiáng)、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，相比傳統(tǒng)控制方法更符合結(jié)構(gòu)振動控制工程的實際特點(diǎn)。2.2新型減隔震控制裝置本項LI立足工程實際需要，開發(fā)了一系列新型的隔震與減振控制裝置，進(jìn)行了相關(guān)理論研究、性能試驗和效果測試，建立了其分析模型和簡化設(shè)計方法，相關(guān)成果獲得多項國家發(fā)明專利和實用新型專利，部分技術(shù)在實際上程中取得了很好的應(yīng)用。根據(jù)使用對象和控制LI標(biāo)可以分為新型隔震控制裝置、新型耗能減振控制裝置、智能型和其他控制裝置三部分。2.2.1新型隔震控制裝置（I）翌向和三維隔震裝置基礎(chǔ)隔震與設(shè)備翌向隔振技術(shù)已取得了令人矚LI的成果，并廣泛用于工程實踐中。但是，對于地鐵運(yùn)行誘發(fā)的環(huán)境振動與翌向地震引起建筑物的翌向振動隔振（震）研究卻相對非常薄弱。在這樣的背景下，本項□提出一種采用鉛芯橡膠支座和碟形彈簧的串聯(lián)組合系統(tǒng)作為三維基礎(chǔ)隔振（震）裝置，它不僅具有三向適宜剛度和阻尼性能，剛度易于調(diào)整，而且加工制作容易，性能穩(wěn)定。鉛芯橡膠隔震支座是建筑基礎(chǔ)隔震技術(shù)中普遍使用的隔震元件，山多層薄鋼板和橡膠片交替疊合經(jīng)熱硫化而成，然后在其中心孔壓入鉛棒，具有較大的初始水平剛度，能有效的控制地基微震動和風(fēng)振動的影響。鉛芯橡膠隔震支座不僅具有制作工藝簡單，經(jīng)濟(jì)性較好，同時具有適宜的水平剛度和阻尼性能，能保證良好的隔震效果。同時，通過橡膠支座第二形狀系數(shù)S2、橡膠材料硬度和鉛芯直徑的調(diào)整，較容易改變橡膠支座水平剛度和阻尼性能。但是，鉛芯橡膠隔震支座的翌向剛度很大，常常是水平剛度的兒□倍以上。因此只能降低水平地震對上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，而對于翌向地震動沒有多大的隔震效果。將鉛芯橡膠支座和碟形彈簧串聯(lián)組合，取長補(bǔ)短，形成一個具有三向適宜剛度和阻尼性能的三維基礎(chǔ)隔振（震）系統(tǒng)。既能有效地降低水平地震對上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并且構(gòu)造簡單，易于實現(xiàn)。本成果研究和探討了鉛芯橡膠隔震支座和碟形彈簧支座的構(gòu)造、特點(diǎn)和性能參數(shù)的計算方法，據(jù)此提出了三維隔振（震）支座的設(shè)計原則和方法。（2）變剛度隔震保護(hù)裝置、隔震軟著陸保護(hù)裝置本成果發(fā)展和改進(jìn)了基礎(chǔ)隔震變剛度保護(hù)措施，即通過在隔震層引入附加彈簧來改變結(jié)構(gòu)周期，選取了恰當(dāng)?shù)膮?shù)，減小了隔震層變形。按照多質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析模型建編制了彈塑性分析程序。進(jìn)行了地震模擬振動臺試驗。理論與試驗分析結(jié)果表明：變剛度隔震保護(hù)方案是合理可行的，能有效改變結(jié)構(gòu)動力特性，減小隔震層變形，同時還能使上部結(jié)構(gòu)層間剪力不明顯增大，具有很好的應(yīng)用前景。深入研究了基礎(chǔ)隔震軟著陸保護(hù)措施，即通過在隔震層增設(shè)一種山承載橡膠支座和一端具有摩擦滑動面的、在正常使用狀態(tài)下增設(shè)不受翌向荷載的后備支座組成的并聯(lián)隔震體系，用以防止承載橡膠支座發(fā)生大變形失穩(wěn)破壞。在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了地震模擬振動臺試驗，驗證了限位保護(hù)措施的效果以及軸壓力轉(zhuǎn)移的情況。理論分析與試驗結(jié)果表明：軟著陸保護(hù)能有效保護(hù)承載支座免遭失穩(wěn)破壞，同時還能提供附加的阻尼，可以同時將隔震層和上部結(jié)構(gòu)的層間位移控制在允許范圍以內(nèi)。軟著陸保護(hù)為實際工程應(yīng)用提供了必要的理論與試驗技術(shù)支持，不失為一種經(jīng)濟(jì)有效的基礎(chǔ)隔震保護(hù)措施。2.2.新型耗能減振控制裝置（1）變間隙型、自復(fù)位型粘滯流體阻尼器粘滯阻尼器是一種速度相關(guān)型耗能阻尼器，本項LI為了促進(jìn)耗能阻尼器的產(chǎn)業(yè)化和工程實用化，對各類粘滯阻尼器進(jìn)行了詳細(xì)的研究，研制和開發(fā)了包括單出桿、雙出桿、孔隙式、間隙式、組合式阻尼器（緩沖器）等結(jié)構(gòu)形式的一系列粘滯阻尼器。本項LI對各類粘滯阻尼器的性能及速度非線性指數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)地對比研究，并得出了一些規(guī)律性結(jié)論。雙出桿粘滯阻尼器拉壓力相同，容易提供較大阻尼力，適用結(jié)構(gòu)范圍較廣；單出桿粘滯阻尼器具有拉壓力不平衡的缺陷，但也具有特殊的用途，本項利用該特點(diǎn)研制了一種具有自復(fù)位能力的粘滯阻尼器，缸內(nèi)裝有高壓縮性的粘滯材料，當(dāng)活塞受到壓力時，活塞向缸筒內(nèi)部進(jìn)入，粘滯材料從間隙中流動產(chǎn)生阻尼，粘滯材料受壓縮產(chǎn)生彈性力，能使活塞迅速復(fù)位，承受下次緩沖。但這種阻尼器只能承受壓力不能承受拉力。為了使該緩沖器能夠承受拉力，采用了一種轉(zhuǎn)化裝置，這種裝置能夠把拉力轉(zhuǎn)化成壓力，使這種具有自復(fù)位功能的粘滯阻尼器能夠承受拉壓作用，可以作為具有承載力（承受靜載）的支座式阻尼器使用。被動控制是需要外部能源和只對某種設(shè)定地震動特征和結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行的控制，其調(diào)節(jié)能力相對比較弱。假如輸入地震動偏離預(yù)先設(shè)定的情況，控制的效果將大大減弱其至失效。主動控制可以實時調(diào)整控制器出力或狀態(tài)，但其穩(wěn)定性問題、能源需求問題長期以來難以得到很好的解決。結(jié)構(gòu)減振控制系統(tǒng)的性能絕大程度上山裝置和算法所共同決定?？刂蒲b置是控制作用的實際執(zhí)行者，也始終是控制研究的重點(diǎn)。隨著理論研究的深入以及控制對象趨于多樣化、復(fù)朵化，結(jié)構(gòu)控制對控制裝置的要求逐漸提高。如果能夠依據(jù)主動/半主動控制法則對控制力的需求以及反饋機(jī)理，設(shè)訃出具有近似于半主動控制功能的被動控制系統(tǒng)，將大大簡化結(jié)構(gòu)控制的實現(xiàn)，為工程實用化提供一種簡單、經(jīng)濟(jì)、高效的實現(xiàn)方案。本項LI提出一種變間隙式粘滯阻尼器，通過改變間隙式粘滯阻尼器的間隙達(dá)到以被動方式實現(xiàn)半主動控制效果的LI的。這種變間隙式粘滯阻尼器，缸體內(nèi)壁采用中部內(nèi)徑最大，鼎近端部內(nèi)徑逐漸減小的變內(nèi)徑旋轉(zhuǎn)曲面，活塞的縱面也采用同樣曲率的中部內(nèi)徑最大，靠近端部內(nèi)徑逐漸減小的變直徑旋轉(zhuǎn)曲面。亦即缸體內(nèi)壁的縱截面為關(guān)于缸體中部對稱的變缸徑曲面，活塞的縱截面為關(guān)于活塞中部對稱且曲率與缸體縱向截面一致的曲線形式。缸體內(nèi)徑和活塞的縱向直徑的曲率一致使得粘滯阻尼器的活塞和缸體保持均勻的間隙值，當(dāng)阻尼器活塞山缸體的中部向端部運(yùn)動時，活塞和缸體間的間隙減小導(dǎo)致阻尼器的阻尼系數(shù)隨之增加。也就是說，阻尼器的阻尼系數(shù)隨著阻尼器缸體與活塞的相對位移的增大而增大，從而提高阻尼器的耗能能力。仿真分析表明，隨著振動幅值的增大，變間隙粘滯阻尼器的最大出力也相應(yīng)增大。在振幅值較小時，兩種阻尼器的最大出力相近，變間隙粘滯阻尼器的出力小于一般間隙式粘滯阻尼器，但耗能相近；隨著振動幅值的增大，變間隙粘滯阻尼器的出力大于一般間隙式粘滯阻尼器。在振動幅值達(dá)到變間隙粘滯阻尼器的行程時，變間隙粘滯阻尼器的最大出力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般間隙式粘滯阻尼器。當(dāng)?shù)卣鸺畹膹?qiáng)度不確定時，變間隙粘滯阻尼器對位移的減振效果保持恒定，整體減振效果優(yōu)于一般間隙式粘滯阻尼器，考慮到尚不能對未來可能發(fā)生的地震動的強(qiáng)度做出可靠的估計，變間隙粘滯阻尼器的應(yīng)用將提高結(jié)構(gòu)的安全性能。（2）剪彎型鉛合金阻尼器本項LI研制了一種剪彎型鉛合金消能器。剪彎型鉛合金消能器ill耗能鉛體、傳力件和螺栓組成，也可在鉛體外加設(shè)約束件。它是通過鉛體的剪彎變形來耗能。設(shè)置一定的偏心距，使鉛體承受一部分彎矩的LI的主要是增加鉛體的變位量，另外偏心產(chǎn)生的彎矩使鉛體部分受壓，乂增加一部分摩擦阻力。這種消能器的滯回曲線相當(dāng)豐滿，滯回曲線基本呈雙線形。為了減小結(jié)構(gòu)物在小震和風(fēng)載作用時的變位，還在鉛消能器上并聯(lián)了鋼棒，使鋼棒與鉛體共同工作。由于鋼棒的剛度較大，小變位時它將承受大部分荷載。鋼棒未屈服時它不起耗能作用，所以滯回曲線比較窄；鋼棒屈服后滯回環(huán)乂漸趨豐滿。進(jìn)行了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)消能支撐偽靜力模擬試驗，取得了較好的減震效果。（3）高效阻尼（HEDC）控制裝置本項LI提出一種高效被動阻尼控制裝置（High-efficientPassiveDampingController,即HEDC），具有放大阻尼器兩端相對位移反應(yīng)功能，可以在結(jié)構(gòu)的層間位移較小時就開始發(fā)揮作用，以改善和提高結(jié)構(gòu)在中小地震作用或風(fēng)荷載作用下的正常使用環(huán)境和居住者的舒適性；在強(qiáng)烈地震作用下，該裝置可以使阻尼器產(chǎn)生比普通被動阻尼控制裝置更大的變形，從而更多地耗散地震能量，以確保主體結(jié)構(gòu)的安全性。具有放大阻尼器兩端相對運(yùn)動功能的高效被動阻尼控制裝置（HEDC）,山互相連通的兩個液壓缸、活塞、導(dǎo)桿、阻尼器和水平抗側(cè)力構(gòu)件等組成，液缸內(nèi)充滿了壓縮性很小的液體。HEDC的阻尼器可以是摩擦耗能器、金屬履歷型阻尼器、活塞式油壓阻尼器以及粘性和粘彈性阻尼器等。該被動阻尼控制裝置具有放大阻尼器兩端相對運(yùn)動的功能，通過調(diào)整上、下兩活塞的面積比將使阻尼器兩端產(chǎn)生比普通阻尼器更大的相對位移，從而提高阻尼器對受控結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的附加阻尼，該裝置無需對阻尼器的工作性能、加工維護(hù)等提出額外的要求，通過合理設(shè)訃上、下兩活塞的兒何尺寸及支撐（或其它抗側(cè)力構(gòu)件）的剛度，就可以將結(jié)構(gòu)與支撐的位移之差通過液缸放大，使阻尼器產(chǎn)生較大的變形，從而充分發(fā)揮阻尼器的工作潛力，故該裝置將具有良好的減震（振）耗能效果。通過對單自山度結(jié)構(gòu)體系、多自111度體系運(yùn)動分析和地震作用下的動力仿真訃算和優(yōu)化分析表明，具有位移放大功能的高效阻尼（HEDC）控制裝置可以比普通阻尼控制裝置更有效減小受控結(jié)構(gòu)的相對位移反應(yīng)，取得遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通無放大功能阻尼控制裝置的控制效果。（4）新型懸吊式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器為了提高懸吊式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）的工作穩(wěn)定性，防止配重塊的抖動和扭轉(zhuǎn)，并克服其阻尼裝置需要頻繁檢修更換等缺點(diǎn)，本項LI提出一種新型懸吊式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器裝置，該裝置不僅能夠減小和控制結(jié)構(gòu)多個方向的水平振動，而且避免了配重塊的扭轉(zhuǎn)和抖動，而新的阻尼方式可以長期使用無需維修更換。所設(shè)訃的懸吊式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減振控制裝置包括十字形萬向較、配重塊、剛性吊桿、摩擦阻尼片、拉簧；其中，十字形萬向狡與主體結(jié)構(gòu)連接，十字形萬向狡轉(zhuǎn)軸的軸端周圉設(shè)置摩擦阻尼片，配重塊通過剛性吊桿懸掛于十字形萬向狡的下部，岡腫性吊桿的底部采用拉簧與主體結(jié)構(gòu)連接。用剛性吊桿代替柔性吊線，可以避免配重塊的扭轉(zhuǎn)和翌向抖動，而采用的十字形萬向錢能夠保證TMD對各個水平方向均起到減振控制作用。摒棄了傳統(tǒng)的活塞式阻尼器，而采用包裹在十字形萬向狡轉(zhuǎn)軸部位的摩擦阻尼片來提供TMD的阻尼，通過調(diào)節(jié)摩擦阻尼片的預(yù)緊力可以方便的調(diào)節(jié)TMD的阻尼。摩擦阻尼片制作簡單，不存在活塞式阻尼器的滲漏和參數(shù)不穩(wěn)定等問題，可以長久使用而無需檢修。為了提高TMD對地震等沖擊性作用的控制能力，本項LI提出一種調(diào)速型調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。利用磁流變阻尼器鎖緊TMD與主體結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)TMD和結(jié)構(gòu)的相位關(guān)系，減少頻率失調(diào)帶來的控制效果的降低。調(diào)速型調(diào)諧質(zhì)量阻尼器在沖擊型荷載作用和TMD失調(diào)情況下的控制效果明顯好于傳統(tǒng)被動TMD,不存在大震時主動控制難以解決的能量問題，易于實現(xiàn)，成本較低。2.3智能型和其他控制裝置（I）巨電流變復(fù)合疊層橡膠支座中低層房屋采用疊層鋼板橡膠支座進(jìn)行基礎(chǔ)隔震，可以大幅度地提高抗震能力，但也存在一些不足，即當(dāng)隔震建筑遭遇地震波中的低頻成分時仍存在發(fā)生類共振的可能性。山于隔震層的剛度比上部結(jié)構(gòu)層間剛度小100倍，棋至更小，變形將集中發(fā)生在隔震層。為使隔震層具有較大的變形能力，需要采用直徑較大的隔震橡膠支座，但水平剛度和造價一般就要增大。出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，橡膠支座直徑不可能用得太大，且一經(jīng)投入工程使用，其剛度和阻尼就不能再加以改變，地震時的水平位移就有可能會超過其變形極限，導(dǎo)致發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。如何確保橡膠支座在罕遇地震或長周期地震時的安全，同時控制上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)是一個急待解決的問題。本項LI采用新型巨電流變液設(shè)計了三種電流變阻尼器，研究了智能隔震保護(hù)技術(shù)，對觸發(fā)限位型電流變阻尼器隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，編制了程序，通過實例分析，探討了其在限制支座大變形中的作用，選取了恰當(dāng)?shù)膮?shù)。同時，對采用剪切閥式電流變阻尼器結(jié)合各種算法進(jìn)行了智能隔震仿真對比分析，編制了分析程序，設(shè)計了模糊邏輯控制和位移限值控制算法，綜合考慮了隔震周期、隔震層阻尼比、上部結(jié)構(gòu)剛度、上部結(jié)構(gòu)阻尼比、半主動控制中不同的權(quán)系數(shù)對控制效果的影響，選取了適宜的區(qū)間范圍，考慮了土和結(jié)構(gòu)相互作用的影響。此外，還設(shè)計了一種具有較大粘滯阻尼系數(shù)和可調(diào)系數(shù)的雙出桿雙缸電流變阻尼器，進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，電流變阻尼智能隔震是很好的隔震保護(hù)方案，能有效地改善被動隔震系統(tǒng)的性能，可用來防止隔震層因過大變形而失效破壞，同時也能控制和減少上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。此項成果為進(jìn)一步的研究和實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。采用磁流變阻尼器和改進(jìn)的實時控制程序進(jìn)行了振動臺半主動控制試驗，通過和基礎(chǔ)固定、基礎(chǔ)隔震的對比，驗證了該阻尼器在瞬時最優(yōu)、模糊邏輯控制、位移限值控制算法以及零場控制和滿場控制的效果以及相對于一般基礎(chǔ)隔震的優(yōu)越性。試驗結(jié)果表明：智能隔震系統(tǒng)不僅能夠大幅度減小隔震層的水平位移，有效保護(hù)隔震層和隔震支座，上部結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)和加速度反應(yīng)也得到了有效的控制。采用智能型隔震系統(tǒng)能夠有效改善隔震結(jié)構(gòu)的性能，大大提高隔震建筑的安全可靠性。(2)逆變型磁流變阻尼器現(xiàn)有的磁流變阻尼器(Magnetorheologicaldamper簡稱MRdamper)技術(shù)存在諸多的優(yōu)點(diǎn)也已經(jīng)有小范圍的實際工程應(yīng)用，對于本項tl而言，進(jìn)一步提高磁流變阻尼器的性能，降低其造價，簡化其設(shè)計方法從開始就是一個主要的研究LI標(biāo)。針對現(xiàn)有磁流變阻尼器的若干不足，本項口利用電磁一永磁復(fù)合磁路設(shè)計原理提出一種新型的逆變式磁流變阻尼器，理論分析及試驗表明所提出的設(shè)計方案切實可行，不僅豐富了磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)形式，也為具體結(jié)構(gòu)減振控制應(yīng)用提供了可供選擇的磁流變阻尼器設(shè)計方案?，F(xiàn)有磁流變阻尼器在接通電流時阻尼工作區(qū)域的磁場強(qiáng)度增加，阻尼器的阻尼增大，而切斷電流時磁流變阻尼器僅僅提供有限的粘滯阻尼力。為了提高磁流變阻尼器的動態(tài)可調(diào)范用，一般需要進(jìn)行合理的設(shè)計使得磁流變阻尼器在切斷控制電流時粘滯阻尼力盡可能小以滿足控制律要求，同時為了使得磁流變阻尼器即使在控制器失效時仍能提供足夠大的阻尼力，則希望磁流變阻尼器的不可控阻尼維持在一定水平，這給實際的磁流變阻尼器設(shè)計帶來困難。對于大多數(shù)的工程應(yīng)用情況，磁流變阻尼器處于較大阻尼狀態(tài)對減振控制比較有利，維持一定阻尼是磁流變阻尼器發(fā)揮其耗能能力的重要前提。為了實現(xiàn)磁流變阻尼器逆變的設(shè)想，可行的途徑是在不通電流時使得磁流變液處于一定強(qiáng)度的磁場作用下，而通過電流時磁流變液所處磁場強(qiáng)度減小。通過永磁體可以很容易的實現(xiàn)不需要電流的永磁磁場，一種辦法是將永磁磁路引入磁流變阻尼器磁路設(shè)訃，建立一種永磁磁場和電磁場共同工作的復(fù)合磁路，利用并行（支路）磁路的設(shè)計原理，合理布置永磁體和電磁線圈，通過電磁動勢影響磁力線的分布，從而改變磁流變液所在區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度，實現(xiàn)接通電流時阻尼變小，關(guān)閉電流時阻尼增大的逆變效應(yīng)。為了引入永磁磁場以及實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)磁場的LI的，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是保證永磁體和勵磁線圈的正確使用，為了避免永磁體的直接退磁，逆變復(fù)合磁路通過電磁磁通改變永磁磁通的流向，從磁路上講會存在一個理論上的輔助氣隙。在實際磁路設(shè)計中，輔助氣隙可以曲一定磁導(dǎo)率的半導(dǎo)磁性材料（較低磁導(dǎo)率的鋼材）來實現(xiàn)。為了具體在磁流變阻尼器上實現(xiàn)復(fù)合磁路，本項口設(shè)計的一種逆變式剪切流動式磁流變阻尼器，該磁流變阻尼器除磁路部分外其它構(gòu)造與現(xiàn)有技術(shù)的磁流變阻尼器相同。在這個設(shè)訃方案中，勵磁線圈仍然繞于活塞中部挖出的凹槽內(nèi)，與常規(guī)磁流變阻尼器不同的是活塞的中部采用了低磁導(dǎo)率的中心連桿（高強(qiáng)無磁鋁或銅合金），線圈的內(nèi)部仍然有部分的高導(dǎo)磁鐵芯，但是鐵芯的中部斷開加入低磁導(dǎo)率無磁合金環(huán)作為輔助氣隙，在線圈的外部安裝有環(huán)形或棒形的永磁體。合理設(shè)置輔助氣隙的大小，可以保證當(dāng)勵磁線圈沒有電流通過時，由永磁體產(chǎn)生的磁通主要山構(gòu)成阻尼通道的工作氣隙形成回路。當(dāng)勵磁線圈通過一定方向的電流時，勵磁線圈產(chǎn)生的勵磁磁場與永磁磁場通過輔助氣隙形成回路，從而導(dǎo)致永磁體產(chǎn)生的磁場基本不通過構(gòu)成阻尼通道的上作氣隙，或者在理論上也可以認(rèn)為勵磁磁場在工作氣隙產(chǎn)生了與永磁磁通大小相等，方向相反的磁通，從而使得工作氣隙等效合成磁場為零。這種磁路設(shè)計，避免了勵磁磁場對永磁體的消磁效應(yīng)，并且可以有效的實現(xiàn)工作氣隙的磁場逆變。本成果通過等效磁路試驗，驗證了逆變復(fù)合磁路的有效性；設(shè)計制作了一個足尺的閥式逆變型磁流變阻尼器，通過周期性動力試驗驗證了這種逆變型磁流變阻尼器的逆變特性和良好的耗能能力，并進(jìn)一步對其研制工藝和磁路改進(jìn)措施進(jìn)行了總結(jié)。這種逆變型磁流變阻尼器具有小電流大出力的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合有效的控制算法，將是一種反應(yīng)迅速的半主動控制裝置；在電源供應(yīng)失效或無電源的情況下，還可以作為經(jīng)