土木工程智能结构系统-欧进萍

•智能材料与结构系统
航天飞行器结 构健康监测与 自适应控制 复合材料 集成技术
自感知
飞机机翼形状自 适应控制与疲劳 损 伤 监 测
自诊断
急需
微 电 子 技 术
基础 计 算 机 技 术 信 息 处理技术
自适应 自愈合
土木水利大型 结构健康监测 与 控 制
•智能结构系统
传感系统
监测、诊断与控制 结 构 是 智能结构系统的主要功能 数据处理
•难题：结构竖向隔震
2.结构耗能减振
速度相关型耗能器 （粘滞和粘弹型耗能器） 位移相关型耗能器 耗能减振装置 （摩擦和金属屈服型耗能器等） 调谐阻尼器 （TMD和TLD）
•耗能减振体系的分析和设计方法
–线性非正交阻尼体系
–非线性体系 •设计指南和规程 •研究方向：结构抗灾性态控制
28 viscous damper by Taylor Ld Co., the maximum damping force 1200kN
Seismic response control of Jiangsu Suqian Construction Mansion using viscous damper by the company of Jiangsu, China (LIU Weiqian et al, 2003)
监测诊断 系统 控制决策
驱动系统
I. 结构振动控制系统
结构振动控制分类
被动控制系统
（隔震与耗能减振）
不可控也 不需要动力
主动控制系统
可控但 需要大量的动力
ห้องสมุดไป่ตู้“智能”阻尼器
（半主动控制）
可控但 只需要少量的动力
•发展概况
• 50年代：结构变刚度概念—日本Kobori • 60年代：沙层或橡胶层基础隔震结构—中国李立 • 60年代末：叠层橡胶支座隔震—美国Kelly 基础隔震发展 • 70年代初：结构设置金属耗能元件—美国Kelly 结构耗能减振发展 • 72年：结构振动的现代控制方法—美国Yao 结构主动控制发展 • 80年代末～90年代初：AMD、半主动控制系统 结构主动控制应用 • 90年代：智能驱动材料的应用 结构振动的智能控制兴起
②TMD控制能力有限（质量之比3％、给结构附加 的阻尼比不超过4%） ——不适合大阻尼、如钢筋混凝土结构控制
③TMD系统的质量行程通常较大
• HMD系统——TMD和主动控制作动器组合而成
• AMD系统——质量块和主动控制作动器组成
质量块是作动器给结构施加控制力的支撑点
u ca ka m k,c
HMD系统
位移传感器
ABS/ATS系统控制小型结构需要数千瓦、控制大型
拉索
结构则高达数千千瓦能源（Soong et al，1991）
连接件 作动器 DSP 板和 控制计算机 固定框架
被动TMD系统的不足
①只能控制结构某个振型的反应，而且控制效果 对被控振型的频率非常敏感（最优频率比偏离 5%时，控制效果下降约30％） ——不适合结构抗震控制
Performance criterion of seismic damage:
0.90 DM i , GDM 0.50
General St. Important St.
iii) A Practical Example (OU et al, 1999)
Seismic Damage Performance-Based Design of
2.3 Damage Performance-Based Design Method (DPBDM) ——Based on the capacity spectrum
i) Seismic Damage Analysis
Seismic Damage Model
xm E hs DM i x cu F y x cu
Hysteretic curve of damping force
600
Force (kN) Test curve
0 10 20
Model curve
f=2.0Hz
400 200 -
-30
-20
-10
-200 -400 -600
30
Disp. (mm)
600
Force (kN) Test curve
Viscous Damper Products VD-100,VD-200,VD-500
There are 4 companies for making passive dampers
2.2 Seismic Design Approaches of PEDS
The response spectrum with damping ratio 1~20%
土木工程智能结构系统
欧进萍
大连理工大学 哈尔滨工业大学
引 言
I. 结构振动控制系统 II. 结构健康监测系统
III.智能混凝土、制品与结构
引
言
重大工程
大型结构、重要基础设施、重大岩土工程
自然灾害作用
●地震作用、强风作用、极值风浪作用
结构振动、地表塌陷、山体滑坡
●工程灾变危害 ●环境侵蚀、腐蚀作用
钢筋锈蚀、材料老化 损伤积累、抗力衰减 ●长期载荷、疲劳荷载 地表塌陷、边坡失稳 ---灾害演变作用导致系统损伤积累的突然失效 ●工程活动的诱变灾害
地震灾害
唐山地震中， 24.2 万余人死亡、整座城市 瞬间夷为平地 神户地震中， 6000 人死亡， 35 万人受伤， 300万人无家可归，损失超过1500亿美元
The Plane of 1th story
The evevation
The computational model
15 10 5
力(10 4N) 恢复
0 -5 -10 -15 -3
Frictional damper with T core
-2
-1
0
1
2
3
位 移 (cm)
The seismic damage index of structure
Disp .(mm)
3.结构主动控制系统
激 励 结 构
控制作动器
响 应
前馈信号
反馈信号
传感器
计算机 （控制算法）
传感器
结构主动控制发展的主要阶段
初期阶段（1972～1985）：
现代控制理论的应用——发展了各种主动最优控制算法
第二个阶段（1985～1992）：
主动控制系统试验实现和工程应用起步 • ATS/ABS 和 AMD试验实现 • 1989年日本Kajima建筑公司建成了世界上第一幢采用AMD系统 的11层办公大楼——京桥成和大厦 • 1990日本Kajima建筑公司建成了世界上第一幢采用主动变刚度 控制系统的三层办公楼
ma
ma
u
m k,c
AMD系统
HMD/AMD系统一般设置在结构顶层
日本京桥成和大楼 (1989)
AMD-1 AMD-2 控制计算机 传感器
传感器
传感器
日本彩虹桥施工期桥塔HMD控制
（1991～1992）
日本横滨LANDMARK大厦 (1993)
快速发展阶段（1992～）:
• 日本多栋采用AMD/HMD的建筑建成 • 结构半主动控制和智能控制蓬勃掀起(能量输入少、控制鲁棒性好）
——结束了长期争论的结构主动控制的能源和系统可靠性问题
1986～1989，美国Soong等人 系统地完成了1:4模型的单层、三层和六层 钢框架模型的ATS和AMD主动控制试验
Shanghai Huangpu Five-star Hotel
——Adjacent Buildings Connected by Oil Dampers （LU Xilin et al, 2003)
A 60-story ultra-tall building (333 m) with 10-story large podium (49.6 m) connected by oil dampers to reduce their torsional seismic response
( Park & Ang, 1985 )
GDM i DM i
i 1
n
( Ou et al, 1993 )
•Normalized cumulative energy dissipation parameter
h
1
m
E hs Fy x y
( Fajfar, 1992 )
if T1<1.5s, h=[0.8,1.0], otherwise h0.8
Story 1 2 Without dampers 0.959 0.552 With dampers 0.365 0.181
Performance criterion of seismic damage:
0.90 DM i , GDM 0.50
General St. Important St.
Oil damper
Tower
Podium
The oil damper:
F CX
= 0.15; C=250kNs/m
The maximum damping force: 500kN, 600kN 40 dampers by the company in Shanghai, China
1.结构基础隔震
橡胶隔震支座 （包括普通叠层和铅芯 叠层橡胶支座） 滑移隔震支座 基础隔震装置具有软着陆保护的隔震支座 摩擦摆式隔震支座 混合隔震支座 近20年我国已经建成 500 余座隔震建筑 结构基岩隔震装置
•考验：1995年日本神户地震
•设计规程：我国及世界其它国家
128 frictional dampers with multiple frictional layers, the maximum damping force 250kN, developed in HIT
沈阳市政府大楼 摩擦耗能器抗震加固
（吴波、李惠等，1998） 2.4 Applications of PEDSs
0 50
Model curve
f=0.5Hz
-150 -100 -50
400 200 0 -200 -400
100 相对位移(mm) 150
More than 20 buildings with PEDSs have been built in China
-600 Hysteretical curves of 0.5Hz
•Seismic damage model expressed by h , m and cu
m D (1 m ) cu
2 h
ii) Seismic Damage Performance Objectives
《Seismic Design Guideline of PEDSs》 （To be published)
m (T , ) m (T ,0 .05) m ( , T )
《Seismic Design Code of Buildings》 （GB50011-2001)
1) Modal decomposed response spectrum method 2) Pushover analysis 3) Time history response analysis method
R.C. Structure for the Refectory of Zhenrong Middle School in Yunnan
• R.C. frame, 2 stories • Seismic fortified intensity > 9 degree i.e. max. acceleration > 0.4g
风致振动及其危害
特殊的风振效应——涡激振动、驰振、颤振 、抖振 可能导致结构振动发散
长期的风振效应将导致结构疲劳损伤与裂纹扩展
岩土工程灾变危害
耐久性失效及危害
钢材腐蚀与疲劳损伤 混凝土开裂与剥离 结构抗力严重退化
重大工程的灾变危害 已经成为制约工程活动和重大工程安 全运行的关键问题 危及社会和经济的可持续发展 监测 与 控制 是 重大工程灾害（变）演化规律研究与 安全保障的重要途径
北京饭店抗震加固的 粘滞耗能减振应用
（王亚勇等，1999）
Damping brace Stiffness brace Structure II
Structure I
156 JARRET (Viscous-Spring) dampers, maximum damping force 500kN
北京火车站抗震加固的 粘滞耗能减振应用 （魏承基等，2000）