建筑結(jié)構(gòu)振動控制理論與計算方法研究.pdf

1、土木工程結(jié)構(gòu)中的房屋建筑作為重要的社會基礎(chǔ)設(shè)施，是現(xiàn)代社會的組成部分。傳統(tǒng)意義上，這些結(jié)構(gòu)是設(shè)計成用來抵抗靜荷載的。然而，土木工程結(jié)構(gòu)同樣承受著各種各樣的動荷載，包括風(fēng)、浪、地震和車輛荷載。這些動荷載會引起嚴(yán)重且持續(xù)的振動，對結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及居住者均有害，這些結(jié)構(gòu)需要保護(hù)的內(nèi)容可能涉及使用的可靠性，居住者的舒適度以及結(jié)構(gòu)的耐久性。提高房屋建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能是減輕動力作用危害，加強區(qū)域安全的基本措施之一，是土木工

2、程領(lǐng)域所面臨的重大課題。建筑結(jié)構(gòu)振動控制是多學(xué)科交叉的新技術(shù)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)振動控制可以有效地減輕結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震等動力作用下的反應(yīng)和損傷、有效地提高結(jié)構(gòu)的抗振能力和抗災(zāi)性能，結(jié)構(gòu)振動控制經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已被理論和實踐證明是抗振減災(zāi)積極有效的對策。在深入了解建筑結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，研究合理且可行的控制措施保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)免遭地震和風(fēng)荷載破壞，將是一個具有極大工程應(yīng)用價值且時間緊迫的研究課題。
　　 隨著社會的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，

3、人們對居所的振動環(huán)境有著越來越高的要求，振動被動控制的局限性就暴露出來了，難以滿足人們的要求。主動控制技術(shù)由于具有效果好、適應(yīng)性強等潛在的優(yōu)越性，自然成為一條重要的新途徑。然而主動控制系統(tǒng)一般需要很大的能量驅(qū)動和多個作動器，這在實際工程中難以實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)半主動控制基本原理與主動控制相同，但是半主動控制巧妙地利用了結(jié)構(gòu)振動的往復(fù)相對變形或相對速度，從而只需要少量的能量調(diào)節(jié)便有可能實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力。采用諸如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等

4、智能算法為標(biāo)志的結(jié)構(gòu)智能控制是目前結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域研究的前沿課題。結(jié)構(gòu)智能振動控制不需要精確的結(jié)構(gòu)模型，運用智能算法來確定輸入、輸出反饋與控制增益的關(guān)系，采用磁流變液智能材料制作的智能阻尼器同樣僅需少量的能量調(diào)節(jié)便可以很好的實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力。
　　 本文以建筑結(jié)構(gòu)模型為研究對象，運用現(xiàn)代控制理論以及智能控制理論分別對建筑結(jié)構(gòu)振動控制進(jìn)行了理論分析和計算方法的研究。首先，研究在地震激勵下采用主動控制方法進(jìn)行地震響應(yīng)控制，對主動控

5、制方法中的一些關(guān)鍵性問題進(jìn)行研究，其次，在主動控制研究的基礎(chǔ)上，重點研究了建筑結(jié)構(gòu)的半主動控制方法，第三，文章探討了模糊控制及遺傳算法在建筑結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用。
　　 在結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)主動控制系統(tǒng)設(shè)計中，采用線性二次型(LQR)經(jīng)典最優(yōu)控制、線性二次型Gauss(LQG)最優(yōu)控制、結(jié)構(gòu)極點配置控制、結(jié)構(gòu)模態(tài)控制和滑移模態(tài)控制五種控制算法分別對線性結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了理論分析和數(shù)值仿真計算，為結(jié)構(gòu)振動半主動控制提供基礎(chǔ)。
　　

6、在主動變剛度(AVS)控制策略的基礎(chǔ)上，提出了一種新的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)控制主動變剛度頻率控制算法。利用希爾伯特一黃變換理論分析非線性非平穩(wěn)地震信號的時頻信息，當(dāng)?shù)卣鹦盘柕乃矔r頻率接近于結(jié)構(gòu)的固有頻率時，主動變剛度裝置改交結(jié)構(gòu)的剛度以減小地震激勵下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。文章選取兩個建筑結(jié)構(gòu)的Benchmark模型作為算例來驗證該算法的可行性及有效性。仿真分析表明，該方法簡便可行，能有效地控制受控結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)，有著廣泛的工程實際應(yīng)用前景。
　　

7、基于固有模態(tài)分解技術(shù)和希爾伯特一黃變換理論提出了一種半主動變剛度調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(SAVS-TMD)對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)頻率控制算法。該算法控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)頻率可以實時連續(xù)可調(diào)，而且對結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼的變化具有很好的魯棒性。本文選取的研究對象為擬在澳大利亞墨爾本建造的76層306m鋼筋混凝土塔式辦公樓建筑。SAVS-TMD控制仿真計算的結(jié)果與結(jié)構(gòu)無控情況相比，可以充分地降低結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)，同時與TMD控制相

8、比控制效果更好。此外，SAVS-TMD控制在結(jié)構(gòu)剛度變化±15％的情況下依然可以降低結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)，具有很好的魯棒性。SAVS-TMD控制的效果類似于主動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(ATMD)控制，但是比ATMD控制耗能少。
　　 根據(jù)Davenport脈動風(fēng)速譜，采用自回歸模型(Auto-regressive)法和經(jīng)過FFT算法改進(jìn)的諧波疊加法(WAWS)分別對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈動風(fēng)速時程模擬?？紤]豎向相關(guān)性、平穩(wěn)的多變量隨機過程以及它的

9、互譜密度矩陣模擬生成具有隨機性的脈動風(fēng)速時程曲線和風(fēng)速譜的功率譜密度。模擬風(fēng)速的功率譜密度函數(shù)與Davenport目標(biāo)譜的比較表明兩種方法具有很高的精度和效率。本文算例以76層306m高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)振Benchmark模型為研究對象，研究了風(fēng)荷載作用下高層建筑動力響應(yīng)的控制方法，給出了結(jié)構(gòu)在模擬脈動風(fēng)荷載作用下的被動TMD控制和主動LQG控制的控制結(jié)果。
　　 迭代學(xué)習(xí)控制是一種比較理想的控制策略，其本身具有某種智能，能夠在

10、控制過程中不斷地完善自身，以使控制效果越來越好，逐漸成為令人關(guān)注的課題。針對高層建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，基于線性二次型最優(yōu)控制與迭代學(xué)習(xí)控制相結(jié)合的思想，研究線性二次型迭代學(xué)習(xí)混合控制方法，提高迭代學(xué)習(xí)控制的收斂速度，對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的控制。其次結(jié)合自校正控制、模糊邏輯和迭代學(xué)習(xí)控制的基本思想，提出采用自整定模糊控制確定迭代學(xué)習(xí)律的方法，提高了迭代學(xué)習(xí)控制的魯棒性。選取建筑結(jié)構(gòu)振動控制Benchmark第二階段的地震作用Benchma

11、rk模型作為研究對象，進(jìn)行二次型迭代學(xué)習(xí)混合控制和模糊迭代地震響應(yīng)計算，計算結(jié)果表明兩種控制方法均能夠?qū)enchmark模型的地震響應(yīng)進(jìn)行有效地控制，并且控制效果得到了一定的改進(jìn)。
　　 在結(jié)構(gòu)振動智能控制中模糊控制是被采用的方法之一，基于遺傳算法的模糊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，把模糊控制和遺傳算法結(jié)合起來，利用遺傳算法的優(yōu)點，克服了一般模糊控制設(shè)計中模糊變量的隸屬度和控制規(guī)則的選取通?？拷?jīng)驗來獲取的不足，使得系統(tǒng)的模糊控制設(shè)計更靈活方