抗震工程读书报告

地震工程读书报告

抗震工程控制

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抗震工程控制

1抗震工程控制的目的与发展

地震要释放能量，地震释放的能量以波的形式往四周传递。在其影响范围内，地震以输入量的方式对建筑物造成影响，影响的具体表现为建筑物被激励振动，甚至因剧烈振动而破坏。建筑物受激振动的剧烈程度与其阻尼有关，阻尼越大，建筑物对能量的吸收于消耗越大，振动越轻，反之越重。因此结构抗震控制技术的基本思想就是要千方百计地增长建筑的阻尼，以达到控制建筑在地震作用下振动的幅度和减轻震害的目的。这也是结构抗震控制技术于传统抗震设计方法根本区别之所在，即抗震结构控制是把地震作用视为一种能量，通过增大结构阻尼的办法“主动出击”，减小地震对建筑物的作用。而传统的抗震设计则把地震作用看作是一种力，通过增大结构强度和刚度的办法去“被动防守”，大小不变地去承受地震作用。

抗震控制设计目前还是一种试图用经验方法达到优化目的的手段，结构抗震设计也是这样。在某一方面，设计意味着考虑不同的设计方案、估计其结果、对比这些方案并作出最好的选择。在方案对比时，需要有一个优化的目标。对于结构抗震设计而言，优化目标常常并不明确，而是采用与现状接近的经济与安全的对比原则，即就总体而言，安全性约相当于现有的经验，经济上也不得相差过大。

传统的结构抗震设计主要是依靠结构自身的强度、刚度和延性来满足抗震的要求使结构免于倒塌。但是随着社会的发展和高层建筑物的日益增多。这种抗震体系越来越难以满足结构的安全性与适用性要求。于是，研究动力荷载作用下的结构控制理论应运而生，它以研究结构减振、隔震及控振理论与工程应用技术为目的、合理有效地对建筑物配置控制机构，由控制机构与结构共同承受地震作用，以减轻结构的地震反应。下面重点讨论被动控制、主动控制、混合控制、半主动控制等结构抗震控制方法。

2抗震工程被动控制

被动控制是指不依赖外部能源，只对某种设定的地震动力特性进行抗震控制的控制系统、虽然这种方法缺乏跟踪和调节能力，但是它却具有以下四条优点：(1)相对主动控制来说节省费用：(2)不耗费额外的功率；(3)具有内在的稳定性；(4)能控制较大的地震运动。常用的被动控制形式有以下几种。

2.1液压质量振动控制

该系统主要有液压缸、活塞、管路和惯性质量。管路中由液体传递压力，当框架振动时。由活塞推动液体，使管路中的液体和惯性质量随之振动，框架的振动能量传递给了液体和质量块，从而使框架结构的振动减小。该系统是利用地震提供的能量进行平衡控制。是一种即经济又实用的方法。曾有人将该系统安装的5层钢框架模型的底层。经振动台测试表明，可以降低50％～60％振动，结构阻尼可增加3～4倍。

目前对于被动控制的研究主要存在下面几个问题：(1)被动控制装置的研究；(2)被动控

制装置耐久性的研究以及材料性能的研究；(3)被动控制减振效果的定量设计控制问题：(4)被动控制系统的可靠性研究；(5)被动控制装置的安装、维修与更换；(6)被动控制的应用开发研究。

2.2调频质量阻尼控制

此机构主要依赖它和结构之间的相对运动，凭惯性产生作用力来抵消干扰力，以达到减振目的。当结构承受地震冲击而振动时，由于附加质量块的惯性而向原结构施加反向作用力；阻尼器同时起耗能作用，使原结构的地震反应迅速衰减。调频质量阻尼控制一般安装在结构的顶层，主要用以控制高柔结构按第一振型的振动。

2.3吸能控制

吸能装置主要是在结构上安装一些由吸能材料制成的部件或软钢，当结构振动时，这些部件产生很大的塑性变形，以此吸收能量来减小主承重结构体系上的地震响应。粘弹性阻尼器是吸能控制中使用最多的一种控制装置，由于其装置简单、材料经济。在实际工程中有着广泛的应用。在国外。其已成功地用于几座超高层建筑的抗风设计。

2.4 基础隔震控制

基础隔震就是在结构底部与基础顶面之间设置隔震层，使上部结构与固结于地基中的基础分离。阻隔地震波向上部结构的传播，使得输入结构的能量或反馈到地基土层或被耗舍巨元件吸收，从而大大减小结构的地震反应。由于这种结构的反应以第一振型为主，而且该振型不与其它振型耦联，所以整个上部结构像个刚体，其自身的相对位移很小，基本保持在弹性下二作范围内。常用的基础隔震形式有：(a)叠层橡胶垫隔震：技术比较成熟．性能可靠稳定。地震反应可减小80％。是目前世界上应用最广的一种隔震系统：(b)摩擦滑移加阻尼器隔震：具有造价低廉的优点，但长期效果不易保证，国际上已有一定应用，我国应用较多，有资料表明：自振周期比常规结构加长4倍；(c)摆动式隔震：其隔震效率在60％以上，此种方式实质上是柔性底层概念的改进和引伸：(d)悬吊式隔震：将整个建筑吊在支架下面，避免地震的直接冲击。

基础隔震能显著地降低结构的自振频率，适用于短周期的中底层建筑和刚性结构。由于隔震仅对高频地震波有效。因此对高层和超高层建筑不太适用。另外。橡胶隔震垫的老化和耐久性问题，以及隔震效果的定量设计问题还有待于进一步研究。

3抗震工程主动控制

被动控制不具备自我调节能力，一旦结构所承受的动力荷载远大于预先的情况时，其控制效果会大大减弱甚至失败。主动控制的基本思想是应用现代控制技术对输入的动力和结构反应实现联机实时跟踪(用传感器)，再按照分析计算结果(用控制器)对结构施加控制力(用作动器)实现自动调节。使结构在地震过程中始终定位在安全工作状态，达到保护结构免遭损伤的目的。结构主动控制理论的研究是以各种控制算法为主线，采用计算分析和模拟方法研究结构主动控制的可行性、研究结构在不同控制下对不同输入的响应、控制系统的迟滞效应和补偿、控制参数对控制效果的影响以及结构参数的不确定性及控制机构系统与结构的相互作用对控制效果的影响等问题。近2O年来提出的结构主动控制算法主要有：

模态控制、经典线性最优控制、线性瞬时最优控制、非线性瞬时最优控制、随机最优控制、脉冲控制飞自适应控制、预测控制、极点配置控制和模糊控制等。有。

3.1主动锚索系统

主动锚索控制系统组成和工作原理是：在锚索上安装一些液压伺服设备系统，并在横梁上安装一些传感器，当外力作用时．传感器把测得的结构响应输送给液压伺服系统，然后由伺服系统根据结构振动控制的需要对某些锚索施加控制力而与之对应的另一些锚索允许处于松驰状态，因此，只要根据结构振动控制的需要不断改变所有锚索的受力状态，即可实现对结构动力响应的主动控制。这种控制装置加在结构的底层控制效果最好。也常用其矫正大跨度悬索桥梁振动时的曲率，以达到控制目的。

3.2主动调频质量阻尼系统

该方法只需在被动调频质量阻尼系统中加入主动控制装置。结构振动时。传感器在特征点拾起结构反应，由控制器作出分析判断．并控制驱动施力设备，使之推动质量块，同时产生控制力．减小结构反应，调整控制系统的自振频率与原结构的自振频率相近或相等时，减振效果最好。

主动控制需要输入外部能量。因此这种控制器的设置技术要求高，且费用昂贵，但是它能根据需要自适应地控制结构状态反应，并且可以得到理想的控制效果。由于主动控制中的许多问题尚待解决。目前工程中应用较少，但这项研究工作正在迅速开展。目前主动控制系统的研究主要需要解决下面的一些问题：(1)模态误差和信息溢出误差。该误差是由于实际连续结构与离散的分析模型之间的差异造成的，它将影响控制进度和控制系统的鲁棒性；(2)参数不确定性和系统识别问题；(3)时间滞后导致控制力，的非伺步作用，可能引发结构的不稳定。调整控制力补偿时间是主动控制能够实施的一个关键环节；(4)传感器和控制器的数目和位置最优配置问题；(5)主动控制系统的可靠性评价；（6）作动系统稳定余量超调的影响；（7）主动控制的时间过程合理离散。

4抗震工程混合控制

近年来，主动和被动控制的组合使用受到了广泛的重视。这种形式称之为混合控制。混合控制能够减少单独使用被动或主动控制系统的局限性，提高结构抗震、抗风能力，被动控制由于引入了主动控制。其效果显著增强，系统可靠度得以提高。目前研究最多的是以被动控制为主，主动控制为辅的主从结合方式，被动控制作为结构对常遇荷载作用的保护装置。主动控制系统作为结构抵御罕见地震的元件，是结构破坏的最后一道防线。国外近年来已开始利用混合控制来控制非线性和非弹性结构系统，效果较为理想。典型韵混合控制方法主要有以下几种：(1)同时采用主动调频质量阻尼系统(AMD)和调频质量阻尼系统(TMD)；(2)主动控制和基础隔震相结合；(3)主动控制与耗能减震相结合。

5抗震工程半主动控制

半主动控制是当今土木工程结构振动控制研究领域的国际前沿性课题之一。这种控制系统依靠较小的外界能量来改变受控系统的特性参数，以减小结构的反应。目前常用的半