主动质量阻尼器(AMD)
悬索桥梁的风致振动控制与减震
02
调谐液体阻尼器（ TLD）
利用液体的晃动效应来耗散振动 能量，适用于大跨度桥梁的横向 振动控制。
03
粘弹性阻尼器
通过粘弹性材料的剪切变形来耗 散能量，具有稳定的耗能能力和 良好的耐久性。
主动控制方法
主动质量阻尼器（AMD）
通过实时测量结构响应并主动施加反向振动，以抵消风致振动的 能量。
01
02
03
结构疲劳
长期的风致振动会导致桥 梁结构疲劳损伤，降低结 构的承载能力和使用寿命 。
行车安全
风致振动会影响桥梁的行 车安全，如涡激振动可能 导致桥面晃动，影响行车 稳定性。
结构稳定性
严重的风致振动可能导致 桥梁结构失稳，甚至引发 灾难性后果。
03
风致振动控制方法与技术
被动控制方法
01
调谐质量阻尼器（ TMD）
风力发电装置（WEC）
将风能转化为电能，同时产生反向扭矩以抵消风致振动的能量。
主动拉索控制
通过调整拉索的张力，改变结构的刚度和阻尼特性，从而实现对风 致振动的主动控制。
混合控制方法
1 2 3
主动与被动混合控制
结合主动和被动控制方法的优点，通过主动控制 提高系统的性能，同时利用被动控制保证系统的 稳定性和可靠性。
2 跨海大桥等特殊桥梁的抗风设计
针对跨海大桥、高墩大跨桥梁等特殊桥梁结构，研究有 效的抗风设计方法和控制策略。
3 精细化建模与仿真
发展精细化建模和仿真技术，更准确地模拟桥梁在复杂 风环境下的动力响应，为风致振动控制提供理论支撑。
4 跨学科合作与创新
加强土木工程、力学、材料科学、计算机科学等学科的 交叉融合，推动悬索桥梁风致振动控制与减震技术的创 新发展。
基于H∞理压电陶瓷结构主动控制论文
基于H∞理论的压电陶瓷结构主动控制研究摘要：在一单层钢框架结构两侧分别粘贴两片压电陶瓷片，其中一片用作驱动器来控制结构的振动，另一片作传感器来测量结构的响应信息。
利用系统识别方法，建立了框架结构的数学模型，并基于h∞理论设计了相应的主动控制算法。
实验结果表明，用压电陶瓷片作驱动器能够有效减小结构的振动，从而验证了压电陶瓷片用作结构主动控制的可行性和h∞控制算法的有效性。
关键词：压电陶瓷系统识别主动控制 h∞理论1.简介位于地震区或强风区的建筑结构，在使用期间可能会在外部动力荷载作用下产生振动，这种振动的强度从无害到严重不等，如果振动的强度过高，可能会导致结构破坏。
工程师们还不能设计出在地震或强风作用下绝对安全的建筑结构，而结构控制的在减小结构振动方面是比较有发展前景的。
结构控制装置是指安装在结构上，为减小地震或风等外部荷载作用下结构振动的机构。
结构控制的目的是增强结构的安全性和建筑内人员的舒适度。
根据控制装置的类型，结构控制通常分为被动控制，主动控制及半主动控制。
主动控制系统能够适应外部不同的荷载条件并可控制结构的多模态振动（housner et al. 1997）。
最常用的主动控制装置是主动质量阻尼器（active mass dampers，amd），它是通过在被动调谐质量阻尼器（tuned liquid dampers，tmd）中加入一个主动控制作动器而形成的控制系统。
1989年，日本东京的kyobashi seiwa大厦成为世界上第一个实现主动控制的建筑结构(kobori et al. 1991)。
20世纪80年代初，一些学者采用压电陶瓷元件进行了柱状天线模型的控制，开创了运用压电陶瓷材料进行振动控制的先河。
压电陶瓷是一种能够利用压电效应将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，它具有响应速度快、频响范围宽的特点，其正逆电效应特性使得其既可以作为传感元件也可作为驱动元件，并且可以加工的很薄从而适合安装于结构表面或者埋在机构中。
高层建筑的风振控制研究
高层建筑的风振控制研究摘要：高层建筑在风振作用下可能产生显著的振动，引起居住者或使用人员的不舒适感，降低生活质量或生产效率，因此结构抗风设计还必须满足舒适度的要求。
文中分析了高层建筑的外部风环境、内部风环，以及风振控制中的被动控制、主动控制和混合控制系统，这一研究对于高层建筑安全设计具有一定意义。
关键词：风振控制；建筑风环境；控制系统0 引言高层建筑和高耸结构正向着日益增高和高强轻质的方向发展，使得结构的刚度和阻尼不断下降，直接影响了高层建筑和高耸结构的正常使用。
建筑在风振作用下可能产生显著的振动，引起居住者或使用人员的不舒适感，降低生活质量或生产效率，因此结构抗风设计还必须满足舒适度的要求。
本文基于人员不舒适感分析了高层建筑风振控制，这一研究对于高层建筑安全设计具有一定意义。
1 高层建筑的风环境1.1 外部风环境根据高层建筑物的外形，相互布局情况及风的相对方向，有可能测得的建筑物外部环境的不舒适参数Ψ值，在风振舒适感控制中都是基于下述效应为基础。
（1）压力连通效应：当风垂直吹向错开排列的高层建筑物时，若建筑物间的距离小于建筑物的高度，则有部分压力较高的风流向背面压力较低的区域，形成街道风，在街道上形成不舒适区域。
（2）间隙效应：如图2所示，当风吹过突然变窄的剖面时（如底层拱廊），在该处形成不舒适区域。
图2 间隙效应（3）拐角效应：如图3所示，当风垂直吹向建筑物时，在拐角处由于迎面风的正压与背面风的负压连通形成一个不舒适的拐角区域；有时，当两幢并排建筑物的间距L≤2d（d为建筑物沿风向的长度）时，两幢间也形成不舒适区域。
图3 拐角效应（4）尾流效应：如图4所示，在高层建筑物尾流区里，自气流分离点的下游处，形成不舒适的涡流区。
图4 尾流效应（5）下洗涡流效应：如图5所示，当风吹向高层建筑物时，自驻点向下冲向地面形成涡流。
图5下洗涡流效应2.2内部风环境高层建筑的内部风环境是指，由于风荷载的作用，高层建筑受到脉动风影响而发生振动现象，这种振动会给生活或者工作在高层建筑内部人带来不舒适感，对高层建筑物的正常使用造成影响。
土木工程结构减震控制方法
土木工程结构减震控制方法摘要：近几年来，结构振动控制的理论和技术日益引人注目，特别是在土木工程的结构设计中，一种以减震为手段的设计已在国内外一些地震多发地区得到了应用，本文分析了土木工程结构减震的控制方法。
关键词：土木结构；减震；控制方法 一、结构减震控制的概念及分类应用结构控制系统是解决结构工程安全性问题的一个可替代的方法，从而为结构控制理论在土木工程中的应用指出了光明的前景。
结构控制的概念可以简单表述为：通过对结构施加控制机构，由控制机构与结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结构的振动反应，使其在外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围内。
结构减震控制根据是否需要外部能源输入可分为被动控制、主动控制和混合控制。
被动控制是指不需要能源输入提供控制力，控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息的控制方法。
文中所讨论的基础隔震、耗能减震等均为被动控制。
 二、土木工程结构减震的控制方法1、被动控制结构被动控制是指控制装置不需要外部能源输入的控制方式。
其特点是采用隔震、耗能减震和吸能减振等技术消耗振动能量,以达到减小结构振动反应的目的。
被动控制的优点是构造简单、造价低、易于维护,并且不需要外部能源支持等。
目前,被广泛采用的被动控制装置有:1.1基础隔震体系。
基础隔振是在上部结构与基础之间设置某种隔振消能装置,以减小地震能量向上部的传输,从而达到减小上部结构振动的目的。
基础隔振能显著降低结构的自振频率,适用于短周期的中低层建筑和刚性结构。
由于隔振仅对高频地震波有效,因此对高层建筑不太适用。
1.2耗能减振体系。
常用的耗能元件有耗能支撑和耗能剪力墙等;常用的阻尼器有金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏弹性阻尼器、黏性液体阻尼器等。
1.3调谐减振系统。
常用的调谐减振系统有:调谐质量阻尼器(TMD )、调谐液体阻尼器(TLD)、液压质量振动控制系统(HMS)等。
调谐质量阻尼器是一个小的振动系统,由质量块、弹簧和阻尼器组成。
文献阅读报告
一种新型软钢阻尼器的研制及其在结构减震控制中的应用
章平平 2012
在建筑结构中使用耗能阻尼器有以下几个注意点:
1、耗能阻尼器在结构中的布置以各层均匀布置优先,其次是隔 层布置或薄弱层布置； 2、耗能器在结构中布置时应尽可能调节结构的对称性,尽量减 小结构质量中心和刚度中心的偏差。此种布置措施可以减少地 震动给结构带来的扭转振动,使阻尼器能够发挥最好的作用； 3、为避免阻尼器出现破坏,应保证耗能阻尼器有一定的安全富 余:位移型阻尼器的最大行程应该大于所在层最大位移的130%, 速度相关型阻尼器的最大速度大于所在层最大速度的130%； 4、根据国外文献,支撑截面尺寸应至少承受耗能阻尼器1.3倍的 最大轴力。
LOGO 金属阻尼器
软钢阻尼器 铅阻尼器
形状记忆合金阻尼器
高性能剪切钢板阻尼器的性能模拟分析与实验研究
林坚湘 2011
无粘结支撑阻尼器是近年来开发的一种新型金属 阻尼器，它以内核心钢板作为耗能构件，外方形（圆 形或矩形）钢管及填充灰浆为其提供侧向约束。内核 心钢板与灰浆之间涂了一层无粘结材料，这种材料的 作用是确保核心钢板上的轴力不传到灰浆体和外钢管 上，保证核心钢板自由拉压变形，灰浆和外钢管共同 阻止支撑发生屈曲失稳破坏，这些组件完美的结合， 使该支撑在屈服后能产生稳定、对称的拉压滞回性能。
在建筑物的抗侧力结构中设置消能部件（由阻尼器、连 接支撑等组成），通过阻尼器局部变形提供附加阻尼，吸收 与消耗地震能量。这样的房屋建筑设计称为“消能减震设 计”。
隔震体系能够减少结构的水平地震作用。
消能方案可以减少结构在风作用下的位移。对减少结构 水平和竖向地震反应也是有效的。
由于针对新型材料减震技术现状这一题目，所以单纯的 从减震方面入手，阅读了相关的文献。
结构振动控制的概念及分类
耗能方案性能来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，以满足结构抗震设防标准，小震不坏，可能无法满足安全性的要求；另一方面，在满足设计要求的情况下，结构构件的尺寸可能需做得很大木工程领域新兴一种新型的抗震方式——结构振动控制，即对结构施加控制机构，由控制机构和结构半主动控制和混合控制。
是由控制装置随结构一起振动变形而被动产生的。
被动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸是由控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。
主动控制系统由传感器、运算器和施力作术。
主动控制有主动拉索系统（ATS）、主动支撑系统（ABS）、主动可变刚度系统（AVSS）、主动质期开始研究主动控制。
目前，主动控制在土木工程中的应用已达30多项，如日本的Takenaka实验控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调置、半主动TMD、半主动力触动器、半主动变刚度装置和半主动变阻尼装置等。
主动控制，或者是同时应用不止一种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装：同时采用AMD和TMD的混合控制系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统以及主动控制和京的清水公司技术研究所。
，但由于建筑结构体形巨大导致所需的外加能源较大，加之控制装置的控制的算法比较复杂，而且存好，容易实现，目前发展最快，应用最广，尤其是其中的基础隔震技术已相当成熟，并得到了一定程主动控制低廉，而且不需要较大的动力源，因此其具有广阔的应用和发展前景；混合控制综合了某几和耗能减震技术。
置控制机构来隔离地震能量向上部结构传输，使结构振动减轻，防止地震破坏。
目前研究开发的基础和混合隔震等。
近年来，越来越多的国家开展了基础隔震技术的研究，因此，隔震技术也得到了飞速：日本94栋，美国21栋，中国46栋，意大利19栋，新西兰16栋，已采用了基础隔震技术。
最近有使结构的振动能量分散，即结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配，从而达到减小主结构振尼器（TLD）；（3）质量泵；（4）液压—质量控制系统（HMS）；（5）空气阻尼器。
振动控制-主动、半主动
目录0．前言 (1)0．1 结构振动控制研究与应用概况 (1)1．结构振动主动控制、半主动控制 (2)2．结构振动控制分类 (3)3．各类控制系统构造及性能 (4)3．1 结构振动主动控制概述 (4)3．1．1 主动控制控制原理 (5)3．1．2 加力方式及加力位置 (7)3．1．3 控制装置 (8)3．2 结构振动半主动控制概述 (8)4．结构振动主动控制、半主动控制算法 (11)4．1 主动控制算法 (12)4．1．2 几种算法的简单介绍 (13)4．2 半主动控制算法 (21)4．3 智能控制算法 (22)5．结构主动、半主动控制系统分析方法及设计方法 (24)5．1 主动控制系统的最优控制力设计与分析 (25)5．1．1 主动控制系统的最优控制力设计 (25)5．1．2 主动最优控制力和受控反应特征分析 (26)5．2 结构主动变阻尼和智能阻尼控制系统的最优控制力设计与分析 (30)5．2．1半主动最优控制力设计 (31)5．2．2系统反应分析 (36)5．3 结构主动变刚度控制系统的最优控制力设计与分析 (37)5．3．1主动变刚度最优控制力设计 (37)5．3．2系统反应分析 (40)6．结构振动主动控制、半主动控制系统的工程应用 (41)6．1 AMD控制系统的工程应用 (41)6．2 结构主动变刚度控制系统的工程应用 (41)6．3 结构主动变阻尼控制系统的工程应用 (42)6．4 其他结构振动控制系统的工程应用 (42)7．研究展望 (43)7．1 结构振动主动控制、半主动控制的研究与发展方向 (43)7．2 结构振动控制的有待研究的问题 (43)8．结语 (43)参考文献 (44)主动控制、半主动控制综述0．前言0．1 结构振动控制研究与应用概况结构振动控制技术与传统的依靠结构自身强度、刚度和延性来抵抗地震作用的做法不同，通过在结构中安装各种控制装置，从而达到减小结构地震反应、保障结构地震安全的目的。
浅析结构振动控制技术的原理和应用
技术改造浅析结构振动控制技术的原理和应用李维赞 谢 永（隔而固（青岛）振动控制有限公司，山东 青岛 266108）摘 要：当前建筑行业在振动控制技术方面还有很多问题有待进一步研究。
过去的抗振结构体系只通过提高结构本身的抗振性能来抵抗。
此方法影响有限，安全性较差。
因此，目前只有地震调整技术才能满足当前建设项目的需要，其发展前景和强大的经济效益日益突出。
关键词：结构振动；控制技术；原理；应用引言：近年来结构振动控制技术的应用日益广泛，结构振动控制技术的应用对象日益增多。
针对这一趋势，本研究介绍了常用的结构振动控制技术的原理，并对其优缺点进行了全面的说明；并简要介绍了相关应用。
1振动控制技术的必要性在中国，随着城市化进程的逐步加快，振动控制技术在建筑业中发挥着越来越大的作用。
第一，在建筑中应用防振技术，不仅可以有效地减少地震、水灾等自然灾害的破坏，还可以大大提高建筑的抗外部冲击能力。
第二，在建筑中应用防振控制技术可以有效地分配地震产生的能量。
近年来，国际建筑专家对这类结构监管的研究备受关注。
借助于结构本身和控制系统来承受荷载，结构处于不良状态，并能在发生大地震时保持球形的霍尔灵，有效地分配了地震带来的能量。
此外，该技术的工作原理和概念非常明确，适用于不同的建筑结构和不同程度的地震强度。
2被动控制2.1隔振技术所谓的减振，是指放置在建筑结构中有效地消耗地震能量的柔性连接，并通过设置这些柔性连接来降低地震能量。
此原则可控制建筑的变形，由于柔性连接可以起到"隔震"、"吸震"的作用，能够最大限度地减少地震产生的能量，保护建筑结构，并确保建筑结构的安全和稳定。
减轻地震对上部结构造成损坏的目的，而且建筑装修及室内设备也得到有效保护。
结构最常用的隔振技术是使用隔振支座来延长结构的自然振动周期，并避免土体的运动高峰时间，从而降低结构的地面运动能量。
此隔振方法减小了结构在地震荷载作用下的响应也存在一定的不足，仅适用于4层中低的剪力墙结构。
层间弯剪偏心结构精准模型快速建立方法及多维减震应用
第 36 卷第 6 期2023 年12 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol. 36 No. 6Dec. 2023层间弯剪偏心结构精准模型快速建立方法及多维减震应用何浩祥，孙澔鼎，程扬（北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点试验室，北京 100124）摘要: 传统层间剪切模型与建筑结构真实受力状态不符，不能精准反映实际多维偏心结构的动力响应，工程可行性较低。
目前的弯剪型简化模型建立方法计算效率偏低且无法直接指导三维偏心结构的建模。
针对上述不足，根据结构力学中柔度法的基本原理提出一种精准的快速建立层间弯剪模型的方法。
在此基础上，考虑结构的偏心对结构动力响应的影响，建立三维弯剪偏心模型，并通过多维时程分析对比验证在双向及扭转地震波下该简化模型的动力响应相较于有限元模型的差异性。
结果表明，基于柔度法建立的三维弯剪偏心简化模型具有建模精度高和计算效率高的优点，并可以准确反映真实结构在多维地震作用下的动力响应。
在考虑实际偏心后优化布置调谐阻尼器可充分发挥减震性能。
关键词: 有限元模型；柔度法；弯剪模型；动力分析；扭转；减震控制中图分类号: TU311.4； TU973.2+3 文献标志码: A 文章编号: 1004-4523（2023）06-1590-12DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2023.06.014引言随着地震工程学的深化和拓展，结构抗震理论经历了静力法、反应谱法、静力弹塑性分析法及非线性时程分析方法等发展阶段，相应的结构动力学模型也逐步从单自由度结构发展到等效多自由度结构和精细化复杂体系等层次［1‑4］。
在此发展过程中，有限元建模和分析技术发挥了关键的引导和推动作用。
虽然利用有限元技术可以较真实地模拟结构在地震作用等激励下的动力响应，但也存在建模过程繁琐、计算效率偏低及通用性差等问题。
更重要的是，复杂有限元模型的刚度和质量等物理参数通常是庞杂且难以直接提取的，这导致其在结构主动控制和智能优化等研究方向应用时存在公开性和灵活性较差且计算效率低等局限。
土木工程中的智能感知与自适应控制技术研究
土木工程中的智能感知与自适应控制技术研究在当今科技飞速发展的时代，土木工程领域也迎来了一系列的创新与变革。
其中，智能感知与自适应控制技术的出现，为土木工程的设计、施工和运维带来了全新的思路和方法。
这些技术的应用不仅提高了工程的安全性和可靠性，还优化了资源利用，降低了成本，对土木工程的可持续发展具有重要意义。
智能感知技术是获取土木工程结构和系统状态信息的关键手段。
通过在结构中嵌入各种传感器，如应变传感器、位移传感器、加速度传感器等，可以实时监测结构的受力、变形和振动等情况。
这些传感器能够将采集到的物理量转化为电信号，并通过数据传输系统发送到中央处理单元进行分析和处理。
与传统的监测方法相比，智能感知技术具有更高的精度、更快的响应速度和更强的抗干扰能力。
例如，在大型桥梁的监测中，智能感知技术可以精确地测量桥梁在车辆荷载和自然环境作用下的变形和应力分布。
通过对这些数据的分析，可以及时发现桥梁结构的潜在问题，如裂缝的产生、支座的位移等，并采取相应的维护措施，保障桥梁的安全运营。
在高层建筑的监测中，智能感知技术可以实时监测建筑物在风荷载和地震作用下的振动响应，为结构的抗震设计和抗风设计提供重要的依据。
自适应控制技术则是根据智能感知系统获取的信息，对土木工程结构和系统进行主动调节和控制，以达到预定的性能目标。
自适应控制技术的核心是控制器的设计，控制器能够根据输入的监测数据和预设的控制策略，计算出所需的控制动作，并通过执行机构施加到结构上。
在土木工程中，自适应控制技术的应用主要包括结构振动控制和形状自适应控制等方面。
结构振动控制是通过施加控制力来减小结构在地震、风等动力荷载作用下的振动响应。
常见的振动控制装置有调谐质量阻尼器（TMD）、主动质量阻尼器（AMD）和磁流变阻尼器（MRD）等。
这些装置可以根据结构的振动状态自动调整阻尼力或控制力的大小和方向，有效地降低结构的振动幅度，提高结构的舒适度和安全性。
形状自适应控制则是通过改变结构的形状或几何参数，来适应不同的荷载条件和使用要求。
建筑结构振动控制技术考核试卷
10.以下哪些是隔震技术的主要目标？（）
A.减少地震作用下的结构响应
B.防止结构产生共振
C.提高结构的自振频率
D.降低结构的阻尼比
11.建筑结构振动控制中的混合控制策略可能包括以下哪些组合？（）
A.主动控制与被动控制
B.隔震与减震
C.结构控制与非结构控制
D.预防性控制与修复性控制
A.传感器技术
B.无人机监测
C.结构健康监测系统
D.人工巡检
15.建筑结构振动控制中的模态分析主要包括以下哪些内容？（）
A.振型分析
B.阻尼分析
C.动力特性分析
D.地震响应分析
16.以下哪些因素会影响建筑结构振动控制系统的设计？（）
A.建筑物用途
B.建筑物地理位置
C.建筑物结构类型
D.建筑物成本预算
15.以下哪种材料常用于建筑结构振动控制的摩擦阻尼器？（）
A.钢材
B.橡胶
C.铅
D.水泥
16.在调谐质量阻尼器（TMD）的设计中，质量比通常定义为多少？（）
A.质量与结构总质量的比值
B.质量与结构基础质量的比值
C.质量与结构顶部质量的比值
D.质量与结构底部质量的比值
17.以下哪种现象可能导致建筑结构振动控制系统的失效？（）
17.建筑结构振动控制技术中，被动控制系统的优点包括哪些？（）
A.不需要外部能源
B.成本较低
C.维护简单
D.控制效果稳定
18.以下哪些控制算法可以用于建筑结构振动控制？（）
A.线性二次型最优控制算法
B.模糊控制算法
C.遗传算法
D. PID控制算法
19.建筑结构振动控制中，隔震技术主要包括以下哪些类型？（）
调谐质量阻尼器减震控制的研究发展趋势
调谐质量阻尼器减震控制的研究发展趋势张国军;张宇鑫;Billie F.Spencer【摘要】综述了土木工程结构减震控制的研究现状,讨论了调谐质量阻尼器(TMD)的工作原理,评述了TMD的国内外研究进展,最后阐述了TMD的研究和发展的趋势.%The research status of civil engineering structural vibration control has been summarized in this paper.The working principleof tuned mass damper (TMD)has been discussed,and its research progressat home and abroad has been reviewed.Finally,wesummarized the research and development tendency of TMD.【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(046)002【总页数】9页(P269-277)【关键词】结构减震控制;被动控制;调谐质量阻尼器;多重调谐质量阻尼器;最优参数;稳健性【作者】张国军;张宇鑫;Billie F.Spencer【作者单位】上海师范大学建筑工程学院,上海 201418;上海师范大学建筑工程学院,上海 201418;伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校土木工程系,美国伊利诺伊州厄巴纳-香槟 61801【正文语种】中文【中图分类】TU311.3地震,是地壳快速释放能量过程时造成的振动,期间会产生地震波.全球每年发生约550万次地震.地震常常造成严重的人员伤亡,能引起火灾、水灾、有毒气体泄漏、细菌及放射性物质扩散,还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂缝等次生灾害.传统的抗震途径是通过调整构件的尺寸和强度改变建筑结构刚度,增强其对变形抵抗能力,但这种方法有时难以兼顾经济性和美观的要求,调整结构尺寸也往往有很多限制因素.采用振动控制技术,在工程结构的一些部位装设隔震垫之类的装置或调谐质块类子结构装置,或通过施加外力来改变、调整结构的动力特性或动力作用,起到合理控制工程结构在地震时的加速度、速度、位移等动力反应作用,以达到减震的效果[1]. 土木工程结构减震控制是通过在结构上安装耗能减震装置来减轻或抑制结构由于外荷载作用引起的反应.土木工程结构振动控制技术的发展经历了如下几个阶段:被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制、智能控制[2].1.1 被动控制被动控制一般不依赖外部能源,利用结构自身的某些构件在构造上加以处理,或者在结构的某个部位附加控制装置或构件,以改变结构体系的动力特性.被动控制由于不需要外部提供能源,且构造简单、成本低廉、易于维护而被广泛应用.被动控制按照其减震机理可分为:隔震、耗能减震和吸振减震(调谐减震)三大类.结构隔震是指在结构物底部与基础面(或底部柱顶)之间设置某种隔震装置,减小地震能量向上部结构传递,从而减少上部结构的反应.通常所说的隔震指的是基底隔震,它包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分.隔震一般适用于短周期的中低层建筑和刚性结构.合理的结构隔震设计可使结构的水平地震加速度反应大幅降低,从而提高结构物的地震安全性,有效地减轻结构的地震破坏.耗能减震体系是在结构的抗侧力构件中嵌入或并联能吸收、耗散地震能量的附加阻尼器,由附加的耗能元件消耗掉结构中地震运动输入的能量,而主体结构只吸收或存储一少部分能量,从而保证主体结构的安全.耗能元件大体可分为两类:位移相关型耗能元件,如金属阻尼器和摩擦阻尼器;速度相关型耗能元件,如粘滞液体阻尼器和粘弹性阻尼器.调谐减震技术通常在主结构上设置一个子结构,通过调谐子结构参数,来实现主结构的振动反应控制.目前,调谐减震装置主要有调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器、质量泵、液压-质量控制系统、悬挂结构体系调谐液柱式阻尼器以及摆式质量阻尼器等.TMD是一种附加在结构上的减震子结构,由弹簧、阻尼器和质量块组成,质块一般通过弹簧和阻尼器支撑或者悬挂在主结构上.当结构受到外部荷载作用产生振动时,子结构通过连接装置与结构一起振动,由此产生的能量会通过惯性力反作用于主结构,以及部分被阻尼器所消耗,实现减震的目的.作为被动控制技术之一,TMD发展较为成熟,减震效果明显,施工操作简单,因而被广泛应用于国内外结构工程中.调谐液体阻尼器(TLD)是将一定形状的盛水容器固定在结构上的一种装置,该装置的减震原理是结构减震带动了容器中液体的晃动,容器箱壁和液体之间碰撞产生了控制力,液体晃动时会吸收一部分的能量,这两种因素都减小了结构的减震,从而起到了减震控制的效果.1.2 主动控制与被动控制不同,主动控制需要外部提供能源,结构物在外部激励作用下发生减震的过程中,外部瞬时施加力或瞬时改变结构的动力特性,以迅速衰减和控制结构的减震反应.主动控制的主要特点是应用外部能源和现代控制技术对结构施加主动控制力.由于控制力大小可以随输入激励而改变,故控制的效果基本上不依赖于外部激励的特性.在提高建筑物抵抗不确定性地面运动的能力,直接减少输入的干扰力,以及在地震发生时连续、自动调整结构动力特性等方面均优于被动控制,特别适用于结构的风振控制.主动控制装置主要包括主动质量阻尼器(AMD)、主动质量驱动器(Active MassDriver)、主动拉索(ATS)和主动支撑(ABS)等.1.3 半主动控制半主动控制仅需要外部提供较低能量来提供控制力,其工作原理是通过输入或者反应信息进行切换控制系统的工作状态,通过调整改变结构的阻尼和刚度来达到减震的目的.半主动控制同时具有主动和被动两种控制的特点,但是半主动控制所涉及到的关键技术是设计并实现可控的减震环节和控制策略,而这并不会比主动控制技术和被动控制技术简单,有时更加复杂.半主动控制最具有代表性的控制装置主要有主动变刚度系统(AVS)、主动变阻尼系统(AVD)、磁流变阻尼器、压电摩擦阻尼器以及电流变阻尼器等.1.4 混合控制混合控制顾名思义在一个结构上会同时使用两种或者两种以上的控制系统,使其相互之间共同的协调工作,该控制不仅能够利用被动控制系统耗散大量的振动能量,而且还可以通过主动控制系统保证良好的控制效果,混合控制系统可以有效地抑制结构的振动响应.目前,混合控制装置系统主要有:AMD和TMD组成的混合质量阻尼控制系统、主动控制和基础隔振组成的混合基础隔振系统以及主动质量阻尼系统与液体质量控制系统等.1.5 智能控制智能结构是利用机敏材料特性、计算机技术、微电子和现代控制理论等对结构进行智能控制,使结构可以感知环境和自身特性,采用最优控制策略做出合理响应的结构,目前更多是使用智能控制的说法.智能结构系统可以解决当前工程上一些难以解决的实际问题,而且将推动许多学科和技术的发展,它代表着先进的新型材料与传统的土木工程结构相结合这一重大的学科研究发展方向,具有巨大的发展潜力.TMD 的工作原理是将TMD 连接到被控制的主体结构上,通过将惯性质量和主结构控制振型谐振把主结构的能量传递给 TMD,从而抑制了主体结构的振动,因此 TMD的有效性主要依靠准确的调频.TMD 系统是由主结构以及附加在主结构上的子结构共同组成的,其中的子结构是由固体质量、阻尼器以及弹簧减震器等组成的,它具有质量、阻尼和刚度等参数.TMD 的调频主要是通过改变质量或者刚度的大小来调整子结构的自振频率,将 TMD 的自振频率设计成非常接近主体结构的主要自振频率或者激励频率,当主结构受到激励而产生振动时,子结构就会相应地产生与结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上,作用在主体上的反向力消减了结构的减震反应,从而达到减震控制效果.由于 TMD是通过调整子结构的动力特性来减小结构的动力特性,而不是借助外部的能量,因此又被称为“被动调谐减震控制体系”.调谐减震系统简化模型如图1所示.TMD 安装在结构顶部,整个结构则成为双自由度体系,则系统在地震激励下的运动方程为写成矩阵形式:式中m1,c1,k1分别为主结构的质量、阻尼和刚度,m2,c2,k2分别为子结构的质量,阻尼和刚度分别为主结构和子结构相对于地面的加速度、速度和位移为地面加速度. 设主结构固有频率子结构固有频率主结构阻尼比子结构阻尼比质量比频率比带入(2)式:设v=x2-x1,(3)式可以简化为被动调谐减震控制体系主要是通过调整TMD系统与主体结构的质量比μ、频率比α和TMD系统的阻尼比ξ2等参数,使系统吸收更多的振动能量,从而大大减轻主体结构的振动响应.TMD起初主要用于减小风振响应.当结构在外激励作用下产生振动时,带动 TMD系统振动,TMD 系统产生的惯性力反作用到结构上,调谐这个惯性力,使其对主结构的振动产生调谐作用,从而达到减小结构振动的目的.TMD的优点是安装简单、方便,维修更换容易.缺点是TMD对于在一般场地上(中高频)的高层建筑、高耸结构、大跨度结构等柔性(低频)结构,控制效果明显有效,而对于软弱(高频)地基上的刚性(高频)结构,控制效果较差.3.1 TMD的早期研究TMD最早是由Frahm[4]在1909年发明的一种吸振器,如图2所示.它由一个小的质量m以及一个刚度为k的弹簧组成的子结构连接于弹簧刚度为K的主质量M 上.在简谐荷载的作用下,当所连接吸振器的固有频率与激励频率相同时,主质量M能够保持静止状态.在此后很长的一段时间里,研究者们在对 TMD 减震的理论研究[3-38],以及实际应用方面做了大量工作.美国研究者最早进行了减震的理论研究,并在高层建筑结构中应用了 TMD 装置.许多早期的研究仅仅局限于动力吸振器在工作频率以及基本频率协调的机械工程系统中的应用.但是建筑结构在受到如风和地震等环境荷载的作用下不仅只有一个频率,而是有许多的频率分量.在多自由度和有阻尼建筑结构中,TMD的动力吸振器的性能完全不同.因此在过去 20 多年里,许多的研究与开发工作就定位于研究TMD 在这种复杂减震环境中的减震控制效果.3.2 TMD的拓展研究3.2.1 单个TMD 的研究单个 TMD 的研究大多仅是集中在对结构的控制效果以及最优控制参数的理论研究方面.为使TMD的控制效果达到最佳,即扩大其能量耗散能力,关键是把TMD的振动频率调至结构振动频率附近并选用适当的阻尼.频率对单个 TMD 的控制效果的影响非常大,当频率略微的偏离设计时,单个 TMD 的控制效果将会有很大程度的下降.文献[5]在传统TMD理论的基础上,从累积能量和瞬时能量角度研究TMD 装置的减震机理及影响因素,进一步完善TMD的理论研究.研究表明:结构附加 TMD 装置后,各累积能量响应和瞬时能量响应均有明显的减小;改变主结构动力特性,TMD系统主结构各瞬时能量和累积能量响应有明显的改变;增加主结构阻尼比,结构位移、速度及加速度响应均有所减小,结构(累积与瞬时)阻尼耗能增加,而滞回耗能和转移能则急剧减小.文献[6]将TMD运用于润扬北汊斜拉桥地震反应控制,分析发现TMD使斜拉桥结构的阻尼耗能减少了30%,主梁跨中和端部的横向位移减少了12%,竖向位移减少了24%,表明TMD能有效控制大跨斜拉桥在地震作用下的振动.文献[7]将TMD减震技术运用于高架桥梁:在低频外部激励作用下,当TMD频率与桥墩频率比为2.5～4.5时,可使桥梁中梁与墩的相对位移响应幅值减小60%以上,墩顶加速度响应幅值减小40%以上.文献[8]提出由调谐质量块、扭转质量块及扭转杠杆等组成的双向水平及扭转TMD,利用其自身的平移和转动可以实现对结构水平及扭转振动控制,表明合理布置的多维TMD能有效降低结构在水平两向及扭转方向的振动,其减震效果明显优于传统的单向TMD.文献[9]研究了不规则建筑主动TMD(ATMD)减震的行为,分析了不规则建筑的标准化偏心系数(NER),扭转对侧向频率比(TTFR)及地震卓越频率(DGF)对ATMD控制不规则建筑位移响应时的最优参数和有效性的影响,结果表明:1)控制平动位移时,DGF对ATMD最优参数和有效性的影响较控制扭转角位移时的大;2)对扭转柔性结构(侧扭频率比小于1.0),DGF 对ATMD最优参数和有效性的影响较显著.文献[10]提出了一种新的控制策略——双重TMD(DTMD)和一种新的优化目标函数.DTMD是由2个质量块通过阻尼器和弹簧串联成的结构系统,具有和传统的TMD和MT-MD不同的能量耗散方式,能够在结构固有频率摄动较大时仍保持较好的耗能减震性能.文献[10]进行了TMD/AMD 模型的模拟振动台试验研究,从试验手段上对整个TMD/ AMD 装置和现阶段比较流行的直驱式 AMD 直线电机系统的相关特性进行了深入的研究,并引入能量法对试验结果进行分析,进一步从试验方面验证了TMD/AMD 系统的能量平衡和传递理论;对带限位 TMD 的动力可靠度进行了探讨.提出了基于投资-效益准则的 TMD/AMD 减震装置的优化设计方法.文献[11]设计制作出一个摩擦摆TMD.对装有摩擦摆TMD的4层钢框架结构进行了振动台试验,结果表明当激励频率接近结构受控自振频率时,摩擦摆TMD能够有效地减小结构的动力反应和抑制结构共振,减震率在50%以上.Kaynia等[14]和Sladek等[15]发现TMD对减小地震反应不是很有效.后来提出的多重TMD(MTMD) 可以消除单个TMD不足.Wong等[16]用能量原理研究了TMD对非线性结构的效应,发现只要TDM能有效地吸收能量就能够减少塑性能量的耗散从而免遭结构损伤,但是结构进入小位移塑性时TDM吸收能量减少.文献[17]对于多层房屋提出了一种TDM的稳健性设计,研究表明:随着TDM系统总质量的增加,它的性能亦增加;实际上,建筑物的反应亦减小且对不确定的参数变得不敏感.地震动参数影响结构的反应及相应的TDM的最优性能和特性.文献[18]提出新的一种脉冲方法代替了古典H∞方法,这两种方法均进行了分析脉冲和近场记录下单自由度和多自由度线性结构的实验,数值评估了在脉冲地面运动下脉冲定向设计的优缺点.3.2.2 MTMD的研究近几年来,国内外的研究学者们在单个 TMD 的理论和技术基础上提出了多重TMD(MTMD)的新概念,对于受到较宽频带的外激励建筑结构,MTMD 系统可以有效减震控制.[19-22]主要研究了MTMD结构刚度和质量摄动的稳健性即讨论结构频率变化对MTMD控制有效性的影响问题,从而为设计提供一些有益的参考.文献[19]评价了双层多重TMD(DMTDM) 控制策略的性能,提出的双层多重TMD(DMTMD)比本文作者最近提出的基于任意整数的多重TMD(AI-ATMD)和当前国际上研究的基于奇数的多重TMD(ON-MTMD)具有更好的有效性和稳健性.但DMTMD中小质量块的冲程大于AI-ATMD和ON-MTMD的冲程,这是DMTMD 的缺点.文献[20]采用了一种新型的减震方法:共享TMD(STMD)法.当附属结构频率接近时共享STMD有很好的减震效果.STMD对附属结构频率摄动的稳健性较差,随着附属结构频率摄动所导致的频率偏离,其减震效果大幅减小;对主体结构频率摄动的稳健性较强.STMD减震效果和相应的最优参数对场地条件不敏感.文献[21]通过分析单自由度结构体系,建立摩擦力与阻尼之间的关系,利用Matlab进行地震响应时程分析,选用线性二次型调节器(LQR)算法作为控制算法,以实例分析在多遇地震作用下MTMD系统的减震效果.结果表明,可控摩擦力的MTMD系统非常适用于高耸结构的减震控制,该系统能够随地震反应实时产生足够的摩擦阻尼消耗地震输入结构物的能量,达到减小结构地震响应的目的.Xu等[22-24]等研究了在简谐激励和白噪声激励下结构MTMD的性能和最优参数,表明MTMD优于单个TMD.Abe 等[25]研究表明合适设计的MTDM较单个TDM更有稳健性.Kevin等[26]用能量原理研究了MTMD对非线性结构的效应,发现MTMD能够使结构消散大量的地震能量从而减小结构的损伤,但是塑性能量损耗对地震震动参数显得尤为敏感,MTMD对结构的上部薄弱楼层并不起作用.文献[27]为了研究钢筋混凝土巨型框架结构体系的抗震性能及其地震作用损伤机理,设计制作1∶25 的缩尺模型,并设计加工了一套TMD装置安装在模型结构顶部,进行振动台试验,得到结构的动力特性和位移响应,并对比分析了 TMD 的减震效果.结果表明:峰值加速度为0.14的地震波作用后(相当于原型 B 度多遇地震),模型结构处在弹性工作状态,在峰值加速度为0.4的地震波作用后(相当于原型 B 度基本烈度),模型结构出现轻微破坏,在峰值加速度为0.880的地震波作用后(相当于原型 B 度罕遇地震),模型结构出现中等破坏,该原型结构可以满足抗震设计的要求;TMD装置具有较好的减震效果.文献[28]为研究围护墙多功能减震结构的减震特性和减震效果,按1∶3缩比制作围护墙钢框架减震结构模型和非减震结构模型,并进行模拟地震振动台试验,研究不同工况下的模型结构动力特性及随着输入不同加速度峰值的 EL Centro波,地震波激励下的加速度反应和位移反应.结果表明:结构的自振频率和振型控制与TMD的个数有关,减震结构对于控制结构的加速度和位移响应非常有效,顶层的减震幅度最大,并在地震波加速度为4 m/s2时,减震效果最佳.通过减震指标动力放大系数和减震率共同评价减震结构对加速度反应和位移反应的控制,说明减震结构对位移的控制效果更优.3.2.3 ETMD的研究现阶段,针对 TMD 的现状,国内外的研究学者们仍然进行着大量的改进和扩展研究,提出了利用结构内部的设备和装置等作为质量体对结构减震进行消能减震,并将其称为 ETMD.这种系统不像 TMD 那样需要额外增加质量,大大减轻了系统所要承载的负担.目前该系统已经被广泛应用于海洋平台的减震控制,取得了很好的效果.文献[29]提出的内部子结构TMD(ITMD) 是一种利用建筑自身的某一独立单元(内部子结构) 作为质量块通过弹簧、阻尼器和橡胶支座等媒介与主体结构相互作用而形成的一种新的减震耗能系统.分析结果表明ITMD 系统的安装,能够较好地减少地震效应,具有简单、高效、经济等优点.3.2.4 NES的研究传统线性吸振器(例如TMD) 的适用频带较窄,对最优阻尼比及频率失调的稳健性较差.只有多个吸振器联合作用才能实现多模态控制.而利用非线性能量阱(NES)的宽频吸振特性进行减震,只需有限个吸振器,即可达到较好的减震效果,使得其优化参数较易确定,近期受到广泛关注.具有靶向能量传递与耗散(TET)功能NES振子是一种新型的非线性吸振振子,其刚度为硬化立方刚度.该振子可认为是一种特殊的Duffing振子,NES振子通常不具有线性刚度项,或具有非常弱的线性刚度.Duffing 振子可根据其立方刚度的正负号,分为硬弹簧Duffing振子和软弹簧Duffing振子.而NES又可视为一种特殊的硬弹簧Duffing振子,即线性刚度为0的硬弹簧Duffing振子.立方刚度可通过能提供非线性回复力的材料获得,也可通过构件特定的组装或构造而产生的几何上的非线性提供非线性回复力获得.与TMD走过的路类似,最初的NES减震应用于单自由度主振动系统,Vakakis等(2003)[30]将其推广应用到具有多个自由度的系统,并指出连接NES后存在能量捕捉的连锁反应可能,即能量从各个模态顺序迁徙到NES振子.文献[31-32]基于TMD的原理,通过振动台模型试验,进行了悬浮顶层减震结构系统的研究.这种结构由主结构与悬浮顶层组成,采用叠层橡胶支座作为二者之间的连接装置,它与顶层楼体共同形成一个大型的TMD系统.试验表明:这种新型的减震结构系统在不同地震波的作用下,主结构顶层的加速度响应减少了26.06%～58.64%.文献[34-39]研究了各种各样的安装在弹性主结构上的NES装置(包括Ⅰ型NES、Ⅲ型NES、Ⅵ型NES和Ⅵ型NES等)消能减震作用.文献[34]提出了一种新的曲线轨道能量吸收器(图3),附加质量运动的轨道形状决定能量吸收器的非弹性恢复力.在弹性主结构上安装了一个完全被动控制非弹性能量曲线轨道NES(图4)用来快速消耗数量相当大的地震能量.在脉冲激励下,轨道NES能够和调谐TMD一样减小结构反应并保持结构的稳健性.在地震作用下,曲线轨道NES也能够有效减小结构反应,但是它的减震效果不如调谐TDM,但在减小结构刚度方面更具稳健性.文献[35]通过振动台实验研究了当受到地面运动时装有Ⅲ型NES的大型主结构的反应.研究表明,这种能量吸收器可大大降低弹性主结构的地震反应.总之,文献[34-39]主要研究的是NES的弹性主结构上的减震作用,而对于NES用于非弹性主结构的地震反应至今还缺乏研究.TMD由于其构造简单,成本低廉,性能可靠,是目前工程中应用最广的控制方法之一.近二十多年来,国内外诸多学者进行了TMD研究、MTMD研究、ETMD研究和NES研究,进而在此基础上演变出来的其他TMD如:变摩擦TMD、变阻尼TMD、调谐质量摩擦阻尼器及调谐质量非线性黏滞阻尼器等.研究的TMD种类繁多,研究方法从理论分析、数值模拟、可靠度分析直至模型实验研究等,均取得巨大的研究成果.下面针对TMD的未来研究做简单阐述:(1)对TMD的理论研究已经较为成熟,还缺乏系统全面实验研究;(2)对TMD用于风控制的研究已经较为成熟,TMD用于地震控制的研究还不是很成熟;(3)TMD参数优化设计方法需从本质原理上加以分析研究;(4)TMD需从结构的随机响应分析及动力可靠度分析研究其减震性能;(5)线性TMD和非线性TMD研究主要是针对弹性主结构的减震反应分析,针对非。
结构振动控制的概念与分类
结构振动控制的概念及分类-----------------------作者：-----------------------日期：耗能方案耗能减震技术的研究、应用与发展一、结构振动控制的概念及分类传统的抗震设计是通过增强结构本身的抗震性能来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，以满足结构抗震设防标准，小震不坏，中震可修，大震不倒。
而这种抗震方式缺乏自我调节能力，在不确定的地震作用下，很可能无法满足安全性的要求；另一方面，在满足设计要求的情况下，结构构件的尺寸可能需做得很大，这样既给建筑布置带来一定的困难，在经济上又要增加相当多的投资。
近年来，在土木工程领域新兴一种新型的抗震方式——结构振动控制，即对结构施加控制机构，由控制机构和结构共同承受地震作用，以调谐和减轻结构的地震反应。
结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。
被动控制——无外加能源的控制，其控制力是由控制装置随结构一起振动变形而被动产生的。
被动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸能减震技术。
主动控制——有外加能源的控制，其控制力是由控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。
主动控制系统由传感器、运算器和施力作动器三部分组成。
主动控制是将现代控制理论和自动控制技术应用于结构抗震的高新技术。
主动控制有主动拉索系统（ATS）、主动支撑系统（ABS）、主动可变刚度系统（AVSS）、主动质量阻尼系统（AMD）等。
主动控制研究较多的国家是美国、日本和中国，我国自80年代末期开始研究主动控制。
目前，主动控制在土木工程中的应用已达30多项，如日本的Takenaka实验大楼和Kankyu Chayamechi大楼。
半主动控制——有少量外加能源的控制，其控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调整自身的参数，从而起到调节控制力的作用。
现有的半主动控制技术包括：半主动隔震装置、半主动T MD、半主动力触动器、半主动变刚度装置和半主动变阻尼装置等。
电梯曳引机主动质量阻尼减震器的开发
ＡＭＤ装 置 的结构 ，并展 示 一下 这种 系统 安装在 真 实 电梯
上 的性 能情况 。
２ 低成 本 主动 阻尼 器 的开发
２ １ 新型主动阻尼器的规格 ．
图 １ 示 的 是 曳 引机 在 邻 近 房 间 产 生 噪 声 的一 般 机 所
定 采 用 专 为１０ ０ ／ ｎ １ ｍ ｍｉ 电梯 工 程而 开 发 的技 术 。 图３ 所
我 们 测 量 了 一 些 曳 引 机 的 振 动 情 况 ，其 中 一 例 的 曳 示 的 是 安 装 在 台 北 国 际 金 融 中心 里 的 ｌ １ ｍ ／ ｎ 梯 的 ０ ｍｉ电 ０
◆ Ｍａａｋ ＨｒｉＩ ｏＡ ａ ｓａｉ ｉ ｋ ｓｍｉ著 行武奇 译 ａ ｕ
１ 引言
振动 阻尼 器 的频率 范 围值 为５ － ０ Ｈｚ ０ ３ ０ 。而且 ，根 据 一些
电 梯 机 械 装 置产 生 的 振 动 （ 曳 引 机 ） 有 时候 会 曳 引 机 的 重 量 和 振 动 级 ，确 定 了该 阻 尼 器 的 最 大 输 出 力 如
频率／ ｚ Ｈ
图２ 某 曳 引机 振 动 频 率分 布 图
理 。曳 引机 产生 的部 分 振动 通 过支 承件 传 递给 大 楼 ，这 ２ ２ 新型 主动质 量阻尼器 的设计理念 ．
些 振 动 通 过 建 筑 的 梁 到 达 邻 近 的 房 间 ， 引起 该 房 屋 墙 壁 的振 动 ， 直 接 向 该 房 间传 播 噪 声 。 在 开 发 曳 引 机 减 震 主 动 阻 尼 装 置 的 过 程 中 ，我 们 决
Ｍａ ａ ｋ Ｈｒ ｉ Ｔ ｓｉａ Ｃ ｒ ；ｋ ｏ ｓ ｍｉ Ｔ ｓ ｉａ Ｅｅ ａ ｏ ａ ｄ ｕ ｄ ｇ ｙ ｔ ｍ Ｃ ｒ ｓ ａ ｉ ｉ ， ｏｈｂ ｏ ｐ Ｉｕ Ａ ａ ， ｏ ｈ ｌ ｔ ｒ ｎ Ｂ ｉ ｉ Ｓ ｓ ｅ ｓ ｏ ｐ ａ ｂ ｖ ｌｎ
浅谈结构风振控制技术
1、事件回顾
2021年5月18日 355.8m高的深圳赛格大厦 在没有地震和强风的情况下 突然开始发抖 楼内能感觉到明显的晃动 各种物件摇来摇去 把楼内工作的人吓坏了 然后整座大厦都被紧急疏散 附近的路人也跟着一起跑。 在之后的几天里 大厦又发生了多次晃动
视频
一、赛格事件
1、事件回顾
近期，中国振动工程学会科普工作委员会邀请华 南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室谢壮宁教授 对深圳赛格大厦风致振动进行了解读。
被动控制 台北101大厦的阻尼器采用的是调谐质 量阻尼器（TMD），直径达5.5米，重680吨， 是世界上最大、最重的被动控制阻尼器。它 能将建筑物的移动减少40%。右图中，位于 质量块下方的八支斜向布置的大型油压粘滞 性阻尼器用于吸收、耗散质量块在摆动时的 动能。而球体正下方的缓冲钢环则通过八支 水平向布置的防撞油压式阻尼器固定，主要 用于防止质量块摆幅过大。
基于现有的资料分析，结合涡激共振的特征 可以推断该大厦的大幅度振动是由天台的细长桅杆 在较小的特定风速下发生涡激共振，且共振频率与 大厦高阶频率较为接近而引起的。
一、赛格事件
需要注意的是，与基阶振型不同，建筑的高阶振型的大幅度振动并不仅仅发生在顶部，中间“反弯点”处的振动也会比较强 烈，这也是5月19日部分不同楼层（35楼、55楼和60楼等)商户感受到较强振动的原因。
二、结构风振控制
结构的风振控制是指在结构发生风振反应时，由设置在结构上的一些控制装置主动或被动地产生一组控制力，以达到减小 和抑制结构风振反应的目的。根据其是否有外部能源输入可分为主动控制（有外部能源输入）、被动控制（无外部能源输入）或 介于两者之间的半主动控制（部分能源输入）。
当风振控制为主动控制时，控制力由外加能源主动施加，这时风振控制主要是如何合理地选择控制力的施加规律，以使结 构的风振反应满足减振要求。主动控制作动器通常是液压伺服系统或电机伺服系统，一般需要较大甚至很大的能量驱动。主动调 谐质量阻尼器（简称混合质量阻尼器，HMD）和主动质量阻尼器（AMD）等组成的主动控制系统在结构风振控制应用中较为成 功。此外，智能材料自适应控制是目前主动控制研究的新热点，如形状记忆合金（SMA）、电（磁）致流变材料等。
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参考文献
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国外研究状况
在装置的试验研究方面，1987
年日本 Aizawa等人完成了小比例四层钢框架模型顶 层设置 AMD 系统的主动控制实验；同年， 日本 Kobori 等人完成了 1：4 钢框架模型顶 层设置 AMD 系统的主动控制实验； 1988 年美国 Soong 等人完成了1：4 钢框架 模型顶层设置 AMD 系统的主动控制实验。 这些实验和结果显示了AMD 系统良好的性能 和控制效果。
主动控制研究展望
结构主动控制由于具有减震效果好，适 应性广等特点，引起人们广泛的研究兴趣， 目前或今后所要进一步研究的问题主要有： 1）进一步开展具有广阔应用前景的结构主动 控制装置研究，建立以这些装置为基础的结 构主动控制系统的设计理论和方法。 2）主动控制减震效果的有效性和控制系统工 作稳定性的研究。
（4）模态控制算法（Martin
and Soong，
1976）； （5）脉冲控制算法（Udwadia，1981）； （6）极点配制算法（Martin and soong， 1976）； （7）预测控制算法（Rodellar，1987）； （8）自适应控制算法（Safk，1989）； （9）模糊控制算法（Yao，1989）；
主动质量阻尼器（AMD）
概述
随着建筑结构的高度不断增高、结构体系不断趋于 复杂,再加上地震、台风等自然灾害的不可预知性, 结构抗震、抗风设计也遇到了新的挑战。我国沿海 地区超高层建筑一般以风控为主,强风作用下结构可 能会出现舒适度超标,甚至会造成结构及附属构件损 坏。大量理论研究和实践证明,主动质量阻尼器AMD 控技术能够有效地增加结构阻尼,减小超高层结构风 致振动和地震响应。因此,应用 AMD 控制技术,减轻 结构在风荷载作用下的响应,提高建筑舒适性,对提 高建筑使用性能和品质有重要意义。
AMD与TMD的区别
与被动控制相比，AMD等主动控制方式有以
下三个优点： 1）提高了控制的有效性。 2）适用于多用途减震，如风振或地震。 3）可以选择控制目标，如控制结构某个关键 振型的响应（位移、速度或加速度响应）， 或结构顶点位移、结构基底弯矩以及基底剪 力等。
AMD主动控制体系，除了被控结构外，其主
（6）伺服控制：伺服控制器与驱动器的反馈传
感器 相联，伺服传感器把计算机传来的控制力 （U）的指令信号与反馈传感器驱动力(u*)信号 进行比较（负反馈），其差值传至电液伺服阀， 伺服阀控制高压油从液压源输送至伺服驱动器 的油缸，油缸的活塞随信号偏差而移动，一直 至信号等于零为止。这样，通过负反馈，驱动 器就按指令信号向结构施加设定的控制力，从 而衰减和控制结构的振动反应。 重复（1）~（6），使结构的振动反应减 至最小值
目录
1.基本概念，历史，现状。
原理 3. 装置 4. AMD工作流程 5.主动控制算法 6. 存在的问题 7. 研究展望
2.
基本概念
主动质量阻尼器(active
mass damper,AMD) 是将结构响应的反馈和或结构中关键位置处 外激励的前馈,经计算机分析处理向驱动器(连 接质量块和结构)发送适当的信息.于是驱动器 对抗质量块将惯性控制力施加于结构实现振 动控制.
历史
自从美籍华裔学者
J.T.P.Yao 于 1972 年首次 提出结构控制的概念之后，结构控制引起了 世界各国的高度重视，经过 30 多年的不断发 展和完善，并且在大量实际工程中得到了较 广泛的运用。在高耸结构风振控制方面，主 要以被动调谐质量阻尼器和主动质量阻尼器 的应用居多，而且技术成熟可靠。
国内研究状况
在装置的试验研究方面：
哈尔滨工业大学刘季、宋根由等人率先在我 国开展了结构振动主动控制试验研究,完成了 5 层 1:4 模型框架的 AMD 振动控制实验。 欧进萍等人研究了海洋平台振动的 AMD 控 制仿真分析及 1:10 模型平台结构 AMD 控制 的地震模拟试验台试验。
结构振动的 AMD 控制系统由传感器(包括数据采集 器)、控制决策器和 AMD 装置等三部分组成。这三 个部分与结构一起组成的系统,称为结构 AMD 控制 系统。 AMD 系统实施控制时,传感器子系统测量结构的干 扰或响应,并反馈至计算机;控制器按照计算机设定 的某种主动控制算法,实时计算主动控制力,并驱动 AMD 系统的作动器;然后作动器推动 AMD 的惯性 质量运动,对结构施加控制力。
广州新电视塔塔高
618 米,其主塔体高 454 米,天线桅杆高 164 米,形状高挑纤细,固有 周期达 10.01s 秒,该工程采用了混合质量阻 尼器方案,以改善电视塔结构在环境激励下 的使用舒适性及安全性。该方案由哈尔滨 工业大学深圳研究生院负责结构控制标准化的评价体系研究。
在大量各种不同的结构控制系统存在并投 入应用的同时，目前缺乏可以评价这些系统表 现性能和进行比较的一般标准。因此，应致力 于开发一套标准的测试程序，以便不同系统 （被动、主动、混合）能被真实地评价和比较
7）进一步开展主动控制技术在高柔、大跨等工
程结构中的理论和应用研究，扩大它的工程应 用领域，通过工程应用，使之成为一项成熟的 技术
AMD主动控制系统的工作流程如下：
（1）数据采集：地面和结构在地震激励下 发生振动反应（位移、速度、加速度），通 过传感器进行在线测量。 （2）数据处理和传输：传感器测得的振动 反应的信号，经滤波、放大、调节、模拟微 分处理等，传输至计算机系统的A/D转换器。
（3）A/D转换：把电压模拟信号（Analog）
动控制系统由三部分组成： （1）质量阻尼刚度装置：包括质量块，刚度 弹簧和阻尼器。 （2）驱动装置和液压源：包括伺服阀、驱动 器、反馈传感器液压源及管路。 （3）计算机及控制系统，这是整个主动控制 系统的核心部分，包括： ① 数据采集系统：装设在结构和地面上的传 感器。
②
滤波调节器：对采集的信号进行滤波、放大、 调节。 ③模拟微分器：对振动反应信号（位移、速度、 加速度）进行微分转换。 （4）计算机：A/D转换（模拟信号转换为数字 信号）； 数字信号实时处理（按控制算法）； D/A转换（数字信号转换为模拟信号）。 （5）伺服控制器：将模拟信号(u)与反馈信号(u*) 进行对比、放大，对伺服阀及驱动器进行控制。
在装置的实际工程运用方面： 中国与美国合作并于
2001 年实现的南京电 视塔风振控制的 AMD 系统,是我国国内第一 个采用 AMD 控制系统的实际工程。 近年来,越来越多的超高层建筑采用了该装置, 如上海环球金融中心,在第90层安装了两台各 重250吨的惯性质量块,它不仅能使强风作用 下建筑物的加速度反应降低,地震时,还能有效 地减小建筑结构在地震时的响应。
主动控制主要应用于下述结构在风、地震、环 境振动激励下的减震控制： （1）高层、超高层建筑； （2）高耸塔架或特种结构； （3）桥梁或其他大跨度结构； （4）生命线工程结构。
存在的问题
仍存在下述问题尚待解决： （1）减震的有效性； （2）控制系统工作的稳定性； （3）时滞问题； 1）液压系统或电机系统的作动过程。 2）信号的采集和运输、控制器的计算。 （4）经济性问题； （5）系统装置的日常维护问题。
目前所建成的主动控制系统，是以提高中 小地震以及台风下居住和使用的舒适性为目的， AMD在实际中难以单独抵抗大地震的作用，因 为它需要巨大的质量块和推动它们的巨大外部 能量。应解决大地震作用下外部能源对主动控 制系统的能量供应和保证控制系统在强地震中 的有效运转问题。同时，应研究时滞、传感器 和控制器的可靠性等对主动控制系统工作稳定 性的影响
在装置的实际工程运用方面，1989
年，日本 Kajima 建筑公司建成了世界上第一座采用 AMD 系统的 11 层办公大楼—京桥成和大厦， 用于控制结构的风振和中等地震作用的反应。 日本大阪Applause 塔上安装了 1个质量重达 480t 的 AMD 系统，其惯性质量直接采用了 该建筑上的直升机停机坪台使用了2个
THANK YOU !
（10）H∞（无限大）优化控制算法（Safonov，
1991；刘栋栋，1995）； （11）低能量控制算法； （12）神经网络算法。 目前，多种新的控制算法还在创立和发展。但 至今为止，普遍采用的是经典线性最优控制及瞬 时最优控制算法。 工程结构减震控制 李爱群 编著（参考）
结构主动减震控制的应用范围
5t的作动器，该系统给结构附加的阻尼比 为 1.4%-10.6%。同样，在大阪 Herbis大 厦也安装了 2 个悬吊 AMD 结构控制系统。 该大楼总高 190m，每个 AMD 装置的惯性 质量为 160t，悬吊杆长度为 3.2m，装置自 振周期为 3.6s，主动控制出力为5t，控制 冲程为 300mm，最大控制力为 6t，最大冲 程为 500mm。
转换为电压数字信号（Digital）。 （4）控制计算：计算机把电压数字信号经 过标量变换，转换为结构的位移、速度。照 预设的控制算法，把结构控制增益矩阵与结 构状态向量相乘，计算出控制力（U）。 （5）D/A转换：把控制力（U）的电压数字 信号（Digital）转换为电压模拟信号(Analog)， 并作为指令 信号传输至伺服控制器。
主动控制系统的组成和工作流程
现以典型的AMD说明系统组成和工作流程