超高层结构的振动控制概述4700字.docx

超高层结构的振动控制概述4700字 　　摘 要：随着我国经济的快速发展以及土地资源的紧缺，超高层结构的出现愈加频繁文章探讨了超高层结构振动特点和振动控制的现用方法同时，文章就超高层结构振动工程提出了值得进一步思考和研究的课题以及发展方向 毕业 /2/view-12227552.htm　　关键词：超高层结构；被动控制；主动控制；混合控制　　高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物，至今已有100余年的历史，其中超高层结构一般泛指高度在100m以上的建筑超高层结构不仅可以为住户提供舒适的工作和生活环境，还可以很好的缓解大城市由于人口增长和土地资源紧缺带来的巨大压力同时，超高层结构凭借其高度高、外形美观可成为地区的标志性建筑位于阿拉伯联合酋长国迪拜境内的迪拜塔总高度818米，拥有162个楼层，是现今世界最高的建筑物，也是迪拜的标志性建筑物台北101大厦建筑高度为509.2米，地上101层，地下5层，建筑用途涉及购物、办公、观景位于上海黄浦江畔的环球金融中心建筑高度为492.5米，不仅集商场、办公、酒店住宿诸多功能为一体，也是上海的标志性建筑物之一由于超高层结构高度大、住户多、工程造价巨大，因此在受到地震、强风等自然荷载和灾害的时候一旦结构破坏、倒塌其影响力和破坏力将会非常巨大，造成严重损失。

因此，对超高层结构风荷载和地震荷载的振动控制尤为重要　　随着建筑高度的增加，作用在建筑上部的风速不断增加，同时上部较高的风速仍存在较高的湍流，此外超高层建筑结构在风作用下会产生分离漩涡脱落这些原因使得超高层建筑结构承受很大的风荷载，从而影响建筑的安全性和舒适性与此同时，当地震地面运动传递给建筑物的能量超过结构所能耗散的最大能量时，建筑物就会发生破坏随着高度的增加，地震荷载对于结构的影响也在增加超高层结构由于自振周期大、阻尼小，在地震和风的作用下受到外部传来的荷载产生振动，会使得结构受到破坏，缩短寿命，或者使居住者产生不舒服的感觉有效抑制或者减小地震和风作用带来的这些振动，使超高层结构的安全性、使用性和舒服性得到确保，就必须对结构的振动进行有效的控制　　1 超高层结构的振动控制分类　　根据振动控制装置是否要求该振动系统外的设备提供能源支持其正常工作，超高层结构的振动控制可以分为3类　　1.1 被动控制　　又称无源控制，不需要外界能量，只需要利用无源的惯性、弹性以及阻尼元件与结构相互运动产生控制力被动控制由于装置结构简单、减振效果良好、可靠性高得到了广泛应用　　1.2 主动控制　　又称有源控制，需要外界能量，通过传感器检测到的结构或者系列振动，应用一定的外界能量动作机构产生控制力。

主动控制可以对任意结构进行控制，具有极强的适应性和调节性，可以通过动态修改系统参数，实现高水平的振动控制由于起步比较晚，主动控制的研究还没有得到广泛的普及和应用　　1.3 混合控制　　同时结合主动控制和被动控制，扬长避短，使得超高层结构的振动控制效率得到最高　　2 超高层结构振动控制方法　　2.1 超高层结构的被动控制方法　　2.1.1 基底隔震技术　　超高层结构对基础和地基的承载力要求比较大，基底隔震技术使用在结构的地面以上部分底部设置隔离层的方法，可以让地上的结构部分与地基中的基础顶面分离开来，让地震的能量传递不到主体结构当中，以达到减振的效果隔震装置在强风或微小地震时，具有足够的水平刚度，不影响使用要求在中等强度地震下，其水平刚度较小，上部结构水平滑动，使刚性的抗震结构体系变为柔性结构体系由此，下部结构的自振周期以及场地的特征周期都会远离结构自振周期，降低地震反应根据我国及世界各国对于多种隔震技术的研究和应用情况，隔震技术可按其不同的隔震装置分为夹层橡胶垫隔震、铅芯橡胶垫隔震、滑动摩擦隔震、滚动隔震、支撑式隔震、滚珠或者滚轴隔震、混合隔震等它是目前应用最广泛也是最成熟的结构控制技术。

　　2.1.2 吸能减振技术　　通过附加的子结构使得结构的振动发生转移，从而让结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配，可以使得结构的振动减小附加的子结构质量、刚度、阻尼都是可以调节的，进而调节子结构的自振频率使得其尽量接近主结构的基本频率一旦主结构受到了刺激，子结构就会产生一个相反的惯性力作用在主结构上，控制并衰减主结构的振动　　调谐质量阻尼器（Turned Mass Damper，TMD）、调谐液体阻尼器（Turned LiquidDamper，TLD）、摆式质量阻尼器、质量泵、液体质量振动控制系统（HMS）和空气阻尼器等几种结构是被动吸能减震控制的主要集中结构，其中TMD和TLD应用较多，而且也是在超高层结构的风振控制方面应用最为广泛的　　2.1.3 消能减震技术　　消能减震技术是将结构物的某些非承重构件（如支承、剪力墙、连接件等）设计成耗能杆件，或在结构的某些部位（如层间空间、结点、连接缝等）装设阻尼器在风载或小震时，这些消能构件与阻尼器仍处于弹性状态，结构体系仍具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求；在强风或强震作用下，消能元件或阻尼器首先进入非弹性状态，产生较大的阻尼，大量耗散能量，使主体结构的动力反应减小。

消能减震装置的类型与形式虽然较多，但大体上可以归纳为以下几类：钢耗能器、铅阻尼器、摩擦耗能器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、电感应式耗能器、记忆合金阻尼器、电磁流体耗能器、复合型耗能器等　　2.2 超高层结构的主动控制方法　　2.2.1 独立模态空间法　　把具有分布参数特征的弹性体离散化为模态序列，通过控制振动的主动模态对弹性体进行控制由于振动的各个模态是耦合的，耦合模态控制法计算量大，很难用于实际工作系统　　2.2.2 最优控制方法 　　利用极值原理、最优滤波或动态规划等最优化方法来求解结构振动控制输入的一种设计方法这种算法目前应用最多，存在形式也最多，其中的线性二次优化控制应用最广　　2.2.3 自适应控制方法　　基于一定的数学模型和一定的性能指标，但由于先验知识很少，需要根据系统运行的信息，应用辨识的方法，使模型逐步完善，从而使控制系统获得了一定的适应能力现在比较成熟的自适应控制系统有以下两类：参考模型自适应控制系统和具有被控对象数学模型辨识的自适应控制系统，而在振动控制中多采用后一种控制方法由于复杂系统中往往含有未知参数，因此自适应控制在超高层的振动控制中也得到了广泛的应用　　2.2.4 鲁棒控制　　它选择线性反馈律，使得闭环系统的稳定性对于扰动具有一定的抗干扰能力。

虽然自适应控制可用于具有不确定性的振动系统，但其本身不具备强的鲁棒性顾仲权等人提出了基于容限性能指标的控制设计准则，研究了一种直接满足控制性能要求的结构振动鲁棒控制的常增益反馈优化设计方法　　2.2.5 智能控制　　包括两种方法，分别为模糊控制和神经网络控制其中，模糊控制不仅能提供系统的客观信息，而且可将人类的主观经验和直觉纳入控制系统，为解决不易或无法建模的复杂系统控制问题提供了有力的手段神经网络系统是利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系统，是一种大规模并行的非线性动力学系统它需要预先详细描述所需系统的性能，提供足够精确的样本数据，若神经网络控制无法达到预期的控制效果，就较难找到其原因和相应的解决办法这两种控制需要和其它控制方法结合或两者结合形成模糊神经网络控制方法　　2.3 混合控制　　2.3.1 橡胶垫隔震器和AMD或作动器或可变阻尼系统（通过调节油液的油量实现不同的阻尼系数）构成的混合控制系统　　当在建筑物的基础顶面采用橡胶垫隔震器时，地震中，橡胶垫往往产生较大的变形而破坏失效，为减小橡胶垫隔震反应，可以在结构的底部安装AMD或作动器或可变阻尼系统，并将其与隔震系统连接在一起。

这样，在地震中隔震器可以减小地震能量向主体结构的传递并耗散地震能量，而主动控制系统通过对隔震器施加控制力限制橡胶垫的变形，同时减小主体结构的地震反应这种混合控制系统经过试验和分析已证明是一种非常有效的控制系统　　2.3.2 摩擦滑移隔震器和作动器构成的混合控制系统　　当结构在地震时的惯性力大于系统的摩擦力时，结构相对于基础产生滑动，这种滑动一方面限制了水平地震作用向结构的传递，另一方面耗散了地震能量为了保证隔震器在地震中始终处于滑动状态，以更好地发挥其减震作用，可以在结构的底部安装作动器，并将其与摩擦滑移隔震器连接起来在地震中作动器对滑移隔震器施加主动控制力，使隔震器克服摩擦始终处于滑动状态，且能限制其滑移位移不致过大这种混合控制系统经试验验证也是非常有效的　　2.3.3 粘弹性阻尼器（VE）和主动斜撑控制系统（ABS）构成的混合控制系统　　由于VE的减震作用受频率和温度的影响较大，而在结构上仅安装ABS又往往需要其提供很大的主动控制力，基于上述原因，Tzan提出在结构上同时安装VE和ABS构成混合控制系统以减小结构的地震反应分析结果表明，在保证相同控制效果的前提下，采用这种混合控制系统，可以显著降低结构的动能；同时使ABS的主动控制力大大减小，可以降低ABS的总造价；VE的剪应变减小，可以防止VE因过大的剪应变而破坏。

　　3 结语　　超高层结构的兴建给结构的振动控制带来了巨大的挑战本文对超高层结构中的主动控制、被动控制、混合控制三种方法进行了介绍和概述现在三种方法都得到了相应的研究和发展为了适应我国超高层建筑结构的需要，建议开展更多的相关研究1）应进一步加大主动控制相关软件的应用和普及，从根本上控制振动，减小结构共振造成的损伤和破坏；（2）混合控制可以充分结合主动控制和被动控制的优势，取长补短，国内外学者可以进一步研究、开发新型高效的混合控制系统，建立混合控制系统的最优控制算法，开展相关实验；（3）被动控制需要致力于不仅能够适应高频率的风振或者小震，更要适用于罕遇大震的复合减振控制系统的研究　　参考文献　　[1] 曹珑芳.超高层建筑结构体系及选型[J].低温建筑技术，2011，162 （12）.　　[2] 黄剑，顾明.超高层建筑风荷载和效应控制的研究及应用进展[J].振动与冲击2013（10）.　　[3] 顾仲权，马扣根，陈卫东.振动主动控制[M].北京：国防工业出版社会，1997.　　[4] 张君英，韩军辉.结构振动被动控制方法概述及应用[J].山西建筑， 2007（19）.　　[5] 孙树民.土木工程结构振动控制技术的发展[J].噪声与振动控制， 2001（2）.　　[6] 阎维明，周福霖，谭平.土木工程结构振动控制的研究进展[J].世界地震工 程，1997（2）.　　[7] 周云，徐彤，俞公骅，李希平.耗能减震技术研究及应用的新进展[J].地震工程与工程振动，1999（2）.　　[8] 李惠，吴波，祁皑，刘季.结构混合振动控制方法研究述评[J].哈尔滨建筑大学学报，1997（1）.　　[9] S.R.Tzan and P.Pantelides.Hybrid Structural Control Using Viscoelastic Dampers and Active Con-trol Systems.Earthquake Engineering and Stuctural Dynamics.Vol.23，1994.。