高耸结构半主动控制及安装调试技术

通过介绍半主动控制系统的工作原理,简要概括半主动控制技术近年来的发展现状,综述其在控制理论、试验研究方面的进展以及在实际工程中的应用。最后,以主动变刚度控制系统AVS为例,阐述半主动控制系统在结构中发挥的作用及其安装调试的一般过程。     

结构主动变刚度·阻尼控制系统及其优化设计

介绍了一种新型开关控制型的半主动控制系统——主动变刚度.阻尼(AVS.D)系统的装置组成及其减振控制机理,阐述了该系统所特有的反应放大原理,建立了该控制系统的运动方程。基于瞬时最优控制的思想推导了该控制系统的开关控制律。为了充分发挥该控制装置的作用,优化了主动变刚度.阻尼装置的参数设计,并基于遗传算法研究了主动变刚度.阻尼装置在结构中的空间位置优化方法。计算机仿真分析结果显示,主动变刚度.阻尼系统是一种性能非常优越的半主动控制系统,所推导的瞬时最优半主动开关控制律是很有效的。对不同数目的主动变刚度.阻尼装置进行位置优化,结果表明,所提出的位置优化方法对于优化多个主动变刚度.阻尼装置的位置是相当高效的,可以最大限度地发挥该控制系统的性能。     

时滞对桥梁半主动控制和主动控制的影响

桥梁减震半主动控制和主动控制系统中会存在一系列时滞因素,为了探讨时滞对桥梁控制效果的影响规律,建立桥梁的有限元模型和减震控制方程,并考虑控制系统不同的滞后时间,采用粘滞阻尼器对一座大跨连续梁桥进行了减震控制地震反应数值计算。结果表明,时间滞后对半主动控制和主动控制的影响趋势基本相同,均会使控制系统的减震效果随着滞后时间的增大而越来越差,甚至会增大桥梁地震反应和使地震反应发散,但是半主动控制出现减震效果为零的滞后时间和地震反应发散的滞后时间均比主动控制更加长一点,这显示了半主动控制的优越性。     

高层建筑多自由度结构体系AVS／D多振型控制

探讨了开关型半主动控制算法的研究现状。基于单步状态预测控制律 ,针对高层结构多自由度结构体系提出了AVS/D多振型开关控制律。通过算例与其它开关控制律的计算机仿真分析和比较 ,表明这种开关控制律是可行的、有效的 ,特别是在多自由度结构体系振动过程中有多个振型同时在受控结构的反应中起主要作用时 ,比其它振型开关控制律有更好的控制效果     

基于Lyapunov稳定性原理和遗传算法的结构半主动控制

本文提出了一种新的基于遗传算法的结构主动变刚度/阻尼(AVS/D)控制方法.基于Lyapunov稳定性原理与滑模变结构控制理论来设计开关控制器.用遗传算法来寻优找出使被控结构以最快的速度趋向稳定平衡点的控制器开关策略.为解决当前半主动控制存在的两个主要的问题开关的控制规律与启闭顺序提出了一条比较理想的可行途径.本法具有选取控制器参数合理,且控制效果明显的特点.数值仿真结果表明了本控制方法的有效性和实用性.     

建筑结构地震响应的MR阻尼器PID半主动控制

根据建筑结构的特点进行了结构上的简化计算,并采用了磁流变（MR）阻尼器的Bingham模型及PID半主动控制算法对建筑结构地震响应进行了半主动控制分析研究,并且与结构被动控制的效果进行了对比,数值结果表明：在EI-centro地震激励作用下,被动控制和半主动控制对结构地震响应的水平位移与速度取得了不同的控制效果;对结构的位移及速度的控制效果,MR半主动控制均明显的优于被动控制。     

STMD对高层建筑地震响应的控制

为了控制高层建筑的地震响应,消除控制机构驱动时产生的“时滞”现象,提出了由MR阻尼器构成的半主动控制系统STMD。根据MR流体剪切屈服强度与磁场强度同向变化的磁流变效应,通过外加磁场的变化来改变MR阻尼器的阻尼力,以实现对ITMD控制力的调节。根据瞬时最优控制的原则,采用了基于Hrovat控制律和“开关”控制律的改进的半主动控制策略,对MR阻尼器的参数进行调节。对一栋8层框架结构进行仿真分析,计算结果表明,STMD能够有效地减小高层建筑的地震响应。     

结构半主动控制研究中存在的若干问题

近年来,半主动控制系统在国内外受到了诸多关注,取得了很大的研究进展,但是仍然存在明显的不足之处。本文提出了半主动控制系统研究过程中有待解决的若干关键问题。首先综述了各种半主动控制装置和对应控制律设计的研究现状,然后分析了它们各自的优缺点。此外,也就足尺控制系统研发、控制律设计、控制装置优化和时滞补偿等半主动控制系统中的共性问题进行了分析,并给出了相应的建议。研究指出:常规变刚度控制系统抑制振动频带窄,并且不利于结构的加速度反应控制;粘性变阻尼控制与被动阻尼控制相比仅在结构远离共振时才有意义。     

不同控制策略下安装磁流变阻尼器的模型结构振动台试验与分析

本文对不同控制策略下安装有磁流变(MR)阻尼器的模型结构进行了振动台试验和分析。文中首先介绍了经典最优控制(COC)、瞬时最优控制(IOC)和线性二次高斯最优控制(LQG)等三种控制算法,然后对一首层安装有最近设计制造的MRF-04K型的MR阻尼器的、1/3比例的三层钢框架模型,进行了在两种被动控制和三种半主动控制等不同控制策略下的振动台试验,最后对模型结构地震反应的控制效果以及不同控制策略对控制效果的影响和控制稳定性进行了分析。研究表明,安装有MRF-04K阻尼器的结构控制系统具有良好的控制效果,无论是被动控制还是半主动控制,模型结构各层相对位移峰值均减小了45%左右,其均方根值均减小了70%左右,加速度反应峰值均减小了30%左右,其均方根值均减小了75%左右,从而验证了MRF-04K阻尼器是结构控制工程应用的一种理想的控制装置;研究还表明,在三种半主动控制策略中,基于LQG算法的半主动控制仅需模型结构的加速度反应的反馈信息,比基于IOC算法和COC算法的半主动控制     

结构半主动变刚度控制的研究

尽管已有的研究证明传统的变刚度控制系统可以有效地抑制结构在地震激励下动力响应,但是现有的变刚度装置仅能在很小的范围内改变结构的周期,而且也不利于抑制结构的加速度反应。为了克服这一局限性,本文提出了一种新型的半主动变刚度(ISAVS)控制系统,兼具基础隔震和传统变刚度控制的优点。基于作者提出的离复位控制策略,本文针对ISAVS系统进行了地震作用下的数值模拟,验证了它的可行性和有效性。     

基于最大熵谱法的结构风振反应控制策略

在半主动控制策略 主动变刚度 (AVS)的基础上 ,提出了一种新的对高层建筑风振反应的半主动控制策略。方法是在很小的时间段中风荷载信号的主频率及其幅值可在线预测的条件下 ,利用短时最大熵谱分析给出各小时间段中的频率、幅值和时间的三维关系 ,因此能准确给出变频信号在较短时间序列中的时频信息 ,进而提出主动变刚度体系的频率控制算法。仿真分析表明 ,该方法简单直观 ,并且可以与常规的抗风设计结果进行直接的比较 ,而且鲁棒性能好 ,在线计算量很小 ,该方法已经成熟 ,能有效的控制高层结构在风振作用下的位移反应 ,因此工程实际应用前景非常光明。     

A new high performance semi-active bracing system

Structural control under seismic excitation is becoming an important problem in earthquake engineering. Among several control systems, semi-active control is usually possible and efficient. In the conventional bracing systems it is assumed that the braces buckle under little compressive forces. In this research a semi-active on–off brace strategy is implemented to improve the conventional braces performance. A new completely tensile ribbed bracing system (RBS) has been developed to use the whole capacity of the member. In the proposed system the buckling of compressive member is prevented using a ribbed shape cylinder. RBS causes a permanent-stiffness-presence system that leads to less structural responses. The permanent deflections are removed at the end of excitations by a length correction control system. In this mechanism there is no need for any actuator and large power supply, but just a battery-sized power supply to switch the ribbed mechanical system on or off. The developed mechanism is composed of a ribbed supplemental part and a normal wind-bracing on each floor. Despite the fact that this system does not get control command from outside, it is called a semi-active control system. The hysteresis loop of the braces is similar to ductile tensile steel members. Therefore the system is full capacity design. Nonlinear dynamic analysis of the system has been carried out and its structural behaviour has been investigated. Also damage indices are determined in order to compare the RBS with the conventional bracing systems.     

底层柔性柱隔震结构半主动控制研究

为减小隔震结构底部柔弱层的过大变形,提出了一种底层柔性柱隔震结构半主动控制体系。将结构底层柱设计成柔性柱,在底部填充墙与二层梁之间安装磁流变阻尼器,根据主动控制算法来适时调整阻尼器的阻尼力,对结构实施限位和耗能的半主动控制。建立结构振动模型,通过数值模拟分析该体系的振动特点和减震效果。研究表明,这种结构控制体系能有效减小结构的地震反应,隔震层位移减小50%以上,防止结构因底部位移过大而倒塌。隔震层刚度对减震效果有明显影响,层间刚度比应在隔震层位移、层间位移和加速度之间权衡考虑,并保证底层柱在大震下不发生失稳。在没有半主动控制条件的情况下,在隔震层安装固定阻尼耗能器件进行被动控制,也可减小底层位移30%以上。     

相邻结构地震反应的半主动控制分析

现代城市中相邻结构大量的出现,这样就有可能导致地震中建筑碰撞破坏的加剧.针对安装了AVSD控制器与安装了MR阻尼器的相邻结构半主动控制体系,运用Matlab编程仿真分析了El-Centro波、Taft 波和Northridge波三种地震激励下控制效果.结果表明:对相邻结构中较高结构的控制AVSD系统的控制效果较好,但是...     

强震作用下高层结构地震响应时程的多步预测

提出了一种结合经验模态分解(EMD)与极限学习机(ELM)的时间序列多步预测方法,对近断层强震作用下弹塑性高层框架结构的顶层加速度和位移响应时程进行了多步预测。首先,利用经验模态分解技术将高层结构非线性、非平稳地震响应分解为一系列具有不同特征尺度的固有模态函数序列(IMFs)。然后,利用极限学习机分别对固有模态函数子序列进行多步预测,再将各子序列的预测值叠加得到最终的预测值。预测结果表明,EMD-ELM预测方法能够高精度地实现强震作用下高层建筑动力响应的多步预测。建筑结构地震响应时程的短期预测可为主动、半主动控制系统预先提供准确的动力响应,从而有利于实现工程结构的在线实时减震控制。     

采用ER阻尼器作斜拉索半主动振动控制的试验研究

提出了基于ER/MR阻尼器的半主动控制算法对斜拉索进行振动控制,并进行了振动控制试验。该算法建立在离散时间系统的基础上,并考虑了EP/MR阻尼器的力学特性而发展起来的,因此具有很大的应用价值。首先通过模态降阶的理论,减少了系统的自由度数目,使系统更易于控制。在阻尼器采用Bingham模型的半主动控制策略的基础上,应用更符合阻尼器实际力学特性的双粘性模型,提出了相应的改进办法。然后在试验室建立了缩尺比为1∶12的一根12m长的斜拉索试验模型,考虑到ER阻尼器与MR阻尼器具有相似的力学特性,选用ER阻尼器作为作动器,完成了斜拉索半主动振动控制的试验研究,并与理论结果进行了比较,两者吻合良好。     

Aseismic smart building isolation systems under multi-level earthquake excitations: Part I,conceptual design and nonlinear analysis

As a novel structural control strategy, tuned mass damper (TMD) inspired passive and semi-active smart building isolation systems are suggested to reduce structural response and thus mitigate structural damage due to earthquake excitations. The isolated structure’s upper stories can be utilized as a large scaled TMD, and the isolation layer, as a core design point, between the separated upper and lower stories entails the insertion of rubber bearings and (i) viscous dampers (passive) or (ii) resettable devices (semi-active). The seismic performance of the suggested isolation systems are investigated for 12-story reinforced concrete moment resisting frames modeled as “10+ 2” stories and “8+ 4” stories. Passive viscous damper or semi-active resettable devices are parametrically evaluated through the optimal design principle of a large mass ratio TMD. Statistical performance metrics are presented for 30 earthquake records from the three suites of the SAC project. Based on nonlinear structural models, including P-delta effects and modified Takeda hysteresis, the inelastic time history analyses are conducted to compute the seismic performances across a wide range of seismic hazard intensities. Results show that semi-active smart building isolation systems can effectively manage seismic response for multi-degree-of freedom (MDOF) systems across a broader range of ground motions in comparison to uncontrolled case and passive solution.     

三类结构抗震控制措施控制效果的比较与分析

本文对结构抗震控制的主动控制、被动控制和半主动控制等三类控制措施的控制效果进行了比较与分析。文中以瞬时最优控制算法为基础 ,推导了分别安装有三类结构抗震控制措施的结构的运动方程 ,得到了三类结构抗震控制措施在时域内的控制算法和控制律 ,并依据等效最优控制算法对不同控制参数进行了优化设计。通过对一受El Centro波激励的 36层高层建筑结构实施三类抗震控制的数值仿真分析 ,比较了三类结构抗震控制措施的控制效果 ,结果表明主动控制效果最好 ,半主动控制效果次之 ,而被动控制效果最差 ;半主动控制的控制效果虽比主动控制差一些 ,但其不需外界能源 ,控制可靠性高 ,易于在工程中实现。由此可得出结论 ,半主动控制极具发展前途 ,可在工程中推广应用     

自复位剪力墙的三水准抗震设防与四水准抗震设防对比研究

基于三水准抗震设防的传统结构虽已逐步控制了建筑倒塌和人员伤亡,但造成的经济损失和社会影响仍然巨大.可恢复功能结构体系震后修复成本较小,能够减少地震造成的经济损失.但三水准抗震设防由于其局限性无法充分体现可恢复功能结构的优越性,因此,前期提出了可恢复功能结构体系的四水准抗震设防目标:小震及中震不坏,大震可更换、可修复,巨...