2022年2022年抗震工程读书报告 .pdf

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1、地震工程读书报告Greampeng 编辑地震工程读书报告抗震工程控制交流邮箱 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 地震工程读书报告Greampeng 编辑抗震工程控制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

2、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

3、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

4、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

5、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 5060振动，结构阻尼 可增加 34 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)被动控名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 地震工程读书报告Greampeng

6、编辑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

7、 ，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

8、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

9、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

10、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：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 地震工程读书报告Greampeng 编辑模态控制、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。

11、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

12、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；

13、(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

14、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 的半名师资料总

15、结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 地震工程读书报告Greampeng 编辑主动控制方 法有变阻尼或变刚度控制 法。5.1 主动变刚度控制该控制系统根据外荷载 的频谱特性自 动地改变受控结构的 刚度，使得 受控结构在 每次采样周期内尽可能地远离地震卓越频率，避免共振反应发生 。由于该系统具有使受控结构始终保持非 共振状态的特性，所需外部能量极少，在强振时的稳定性 与可靠性大大优于纯主动控制。5.2 主动变阻尼控制该方法与主动变

16、刚度控制 系统的主要区别就在于 是用主 动控制受控结构的阻尼， 从而减弱动力反应的峰值。控制 过程与主动变刚度控制 相似。5.3 主动变刚度阻尼控制系统该系统综合主动变饲 U 度与主动变阻尼系统的优势， 振动系统的刚度和阻尼均可被适时地切换，既有避开地震卓越频率的优点，同时又有主动变阻尼控制 系统削减动力峰值、对较宽频带的外界激励具有 良好的减振性能。5.4 磁流变液体控制系统磁流变液是一种 可控流体， 它在强磁场作用下 可以在短时间内由流动的牛顿流体变为宾汉姆 体，并且这种变化是 连续、迅速易于控制的。 这种装置的结构是：在悬浮于油中的微小铁粒子 组成的一种“ 磁流变性”流体中设置一个活塞。

17、在通常情况下，活塞能够自由运 动，但当建筑物 中的传感器检测到的加速度超出编程规定的水平时，由计算机控制并产生的电磁场导致 这些铁粒子 在流体 中像磁铁棒 一样垂直排列起来，从而增加了流体抵抗采自四周的 作用力 。这一增 加的强度阻止了与墙壁相连的阻尼活塞的运动，从而防治建筑物 晃动。用一台能够产生 20t 阻尼力的阻尼装置样机在一座 3 层楼建筑物 中进行了测试，测试施加的作用力 相当于 9 级地震。结果表明：阻尼装置使建筑物 底层楼的水平位移减少 75，半主动控制的 效果优于通常的被动控制，与 主动控制 效果很接近，而且结构简单、能耗少、易于实现，是一种 很有前途的结构控制方 法。6 抗震

18、工程控制的发展趋势目前，关于结构 、控制一体化技术的 研究正在受到工程技术 界愈来愈多的关注。在结构、控制一体化系统中，传感器、执行机构以及控制器这三个方面中的任何一个在理论和技术实现上的突破都将对这种主 动控制技术的 发展产生深远的影响。作为新世纪材料进展 重要方 向之一的智能材料 结构是一种 能感知环境及结构内 部的状态变化、 能自主判断这种变化 对整体的影响程度 、能自行调节 结构自身状态参量以适应改变了的环境和维系自身 可靠性 的一种 新型仿生复合材料 结构， 它能够真实地反映出结构、控制一体化特征。在智能材料结构出现之前， 结构主动控制技术 常采用 分散配置的执行机构如电磁式、气动式

19、、压电式执行器。用智能材料结构控制结构振动就 是将传感器、控制系统、执行器结合或融合在基本 材料中 ，这样，智能材料结构控制 系统就具备了重量轻 、工程造 价低、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 地震工程读书报告Greampeng 编辑灵敏度高、可靠性好以及结构、控制一体化等优势。智能材料结构种类很多，主要有光纤材料、形状记忆合金、电流变体、磁流变体、压电材料等。它们与杆、梁、板壳等构件以某种形式结 合，即可形成机敏构件。将其装配到土木结构中就使得结构具有 了智能化的特征。八十年代以来，智能材料结构在 土木工程领域已有一些实际应用，目前主 要集中在高层建筑、桥梁、水坝等方面。可以预料，智能材料结构的 开发和利用，将为土木结构监测、控制带来广泛的经济，效益和社会效益 ，这是当今世界高新技术发展的必然趋势。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -