结构工程师
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结构控制的发展与创新

  摘 要:介绍了结构控制的历史与发展及其分类,叙述了防屈曲耗能支撑的构造和减震基本原理,结合结构控制理论提出了一种新型防屈曲耗能支撑,分析了其装置简易构造,并在理论上做了简要的可行性探讨。


  关键词:结构控制;耗能减震;结构控制装置;防屈曲;耗能支撑引言所谓结构控制,是指在结构某个部位设置一些控制装置,当结构振动时,被动或主动地施加一组控制力或改变结构的动力特性,减小结构振动反应,以满足结构安全性和舒适性的要求。结构控制实际上是把传统的利用结构本身来抵御外界荷载的概念提升到通过结构附加的耗能隔振装置来抵御外界荷载的作用,它可以有效的减轻结构在动力作用下的反应和损伤积累,提高结构的抗振能力和抗震性能,是结构抗振减振和防灾减灾积极有效的方法和技术,目前该技术已成为结构工程领域中最前沿的研究课题之一。


  1 结构控制的历史与发展1.1 结构控制的历史1972年姚治平(Yao J.T.P.)在美国土木工程学会会刊上发表《结构控制的概念》,首先提出了在风及地震作用下在土木结构工程中应用控制理论,引起了工程界的重视[1]。Casciati和Yao对土木工程中主动控制的方法进行了系统的总结和分析对比[2],Yang J.N.研究了非经典阻尼结构反应谱[3]、滑移隔震控制[4]和主动变刚度[5]系统等地震及风振随机激励下的控制及其优化问题。Soong、Martin、Roorda、Spencer、Bergman、Kurata等人做了大量结构控制研究,在我国是王光远院士最早从高耸结构风振控制开始研究的,随后包括刘季、欧进萍、李桂青、瞿伟廉、周锡元、王肇民、徐幼麟、周福霖、周云、唐家祥、李宏男、吕西林等众多学者进行了该领域的研究。结构控制领域逐步得到发展,1994年在美国召开了首届世界结构控制会议。1997年Housner、Soong、Yao等10位著名教授联名发表了《结构控制:过去、现在与未来》,对结构控制的历史沿革、主要内容、未来研究课题等都作了精湛的论述[6]。第二届世界结构控制会议上Suhardjo等发表了《结构控制:反馈的新前沿》,论述了混合控制、半主动控制及其在土木工程结构中的应用[7];“Engineering Structures”杂志出版“结构控制”专集,刊载优秀论文11篇[8-10]。随着国际结构工程青年专家研讨会、国际动力学振动与控制会议、中日美结构控制和监测学术会议、结构地震响应控制及隔震建筑国际研讨会、国际隔震与耗能减震会议等相继在国内召开,可见我国结构控制技术发展也相当迅速,紧跟国际先进步伐,取得了大量丰富的研究成果。


  1.2 结构控制分类结构控制是土木工程结构前沿领域,也是各学科交叉的新技术领域。目前,其分类一般可按技术方法;按是否有外部能源输入;按与结构频率相关性这三种方式进行分类[11],若按是否由外部能源输入大体上可分为被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制和智能控制这五类[11,12]。


  1.3 结构控制发展方向周福霖、欧进萍、周云等著作分别对隔震、主动、半主动、智能控制以及各类被动控制等进行了详细的归纳和总结[11,13-20],包括理论分析、试验研究、结构设计、工程应用和创新发展等方面,内容全面而丰富。经过总结分析,结构控制未来的发展方向主要有:(1)现有隔减震装置的改进;(2)主动控制装置计算法的研究;(3)各种减振装置的联合应用;(4)新型减振装置的研究;(5)数模与物模结合以及计算机优化控制。


  2 防屈曲耗能支撑构造及减震原理[19]


  为了解决普通支撑在强震作用下易受压屈曲造成支撑破坏或失效的问题,学者们研发出一种能防止屈曲的支撑构件,称为防屈曲耗能支撑,由于其性能稳定、减震效果显著,在日本、美国、加拿大、我国台湾等地区都得到了广泛的工程应用。防屈曲耗能支撑的构造组成主要从横向构成和纵向构成两方面来分析,如图1(a)所示,其横向构成分为核心单元、约束单元及滑动机制单元;纵向构成分为约束屈服段、约束非屈服段、无约束非屈服段、无粘结可膨胀材料和屈曲约束机构,其中核心单元,即芯材,是此构件中主要的受力元件,由特定强度的钢板制成。常见的截面形式为十字型、T型、双T型和一字型等,分别适用于不同的刚度要求和耗能需求。


  (a)横向和纵向构成 (b)滞回曲线图1 防屈曲耗能支撑的横向和纵向构成及其耗能性能防屈曲耗能支撑的基本原理为:支撑结构在地震作用下所承受的轴向力作用全部由支撑中心的芯材承受,该芯材在轴向拉、压力作用下屈服耗能,而外围钢管和套管内灌注混凝土或砂浆提供给芯材弯曲限制,避免芯材受压时屈曲。防屈曲耗能支撑在受拉与受压时均能达到屈服而不发生屈曲,较之传统支撑具有更稳定的力学性能,经过合理的设计可使之具有高刚度和良好的滞回耗能能力,防屈曲耗能支撑和传统中心支撑滞回曲线对比如图1(b)所示。因此,防屈曲耗能支撑同时具有同心斜撑和滞回型耗能元件的优点,具有良好的应用价值。


  3 新型防屈曲耗能支撑设计3.1 新型防屈曲耗能支撑构造鉴于钢砂浆板、低屈服点钢、双截面、强化式以及可拆型防屈曲耗能支撑所取得的研究进展,综合考虑以上几类防屈曲耗能支撑的优点并加以优化组合,提出了新型防屈曲耗能支撑,构造如图2所示,该装置的特点为:


  (1)核心单元可以是板也可以是T型钢,外套一个矩形钢管,芯材的端部都是T形的,施工容易连接。


  (2)矩形钢管与内部填充的砂浆构成槽型,二者相互连接作为屈曲约束单元,易标准化且制作简单。


  图2 新型防屈曲耗能支撑简易构造图(3)在钢板表面放置一层硅脂材料以减少粘结力,只有很小的间隙留给钢板在受压后膨胀。


  (4)在核心钢板中部增大截面以加强中部,主消能段部分?仅只有一段,而是可按照需要进行多段式设计。


  (5)鉴于国内低屈服点钢材难买,引入周云教授提出的“定点屈服”概念,在核心钢板三分之一处对称开槽。


  (6)双核心全钢型防屈曲耗能支撑直接利用钢管所提供的侧向强度与刚度来达到约束目的,没有灌浆的困扰。


  (7)该装置的侧撑组件是可以拆卸的。


  3.2 可行性分析本新型耗能装置是在防屈曲耗能支撑发展稳步且多样化的基础,集众家之所长于一身,其可行性主要如下所述:


  (1)日本学者村井正敏、小林史兴和岩田等做了大量的研究,证明了钢砂浆板防屈曲耗能支撑累积耗能能力较强、弹塑性性能较好,且有效抑制高应力状态下的强轴方向的变形。


  (2)低屈服点钢是由日本最先研制的,其没有明显的屈服点,在受拉和受压下很容易产生屈服,并且极限应变很高,因此,该种支撑能在很小的变形时就屈服耗能,并且滞回耗能性能很好。由于在我国低屈服点钢难于得到,而定点屈服的基本思路和低屈服点钢一致,让其屈服而不屈曲。此外其还有一个比较重要的优点是:清楚的知道薄弱位置及最先屈服破坏的位置。


  (3)蔡克铨等人研制了双钢板核心防屈曲耗能支撑,以改善了“十”字形或“一”字形钢板构成的单核心形式,避免了与框架连接时接合部分较长而发生屈曲,通过理论和试验分析验证了其良好的耗能效果。


  (4)蔡克铨等人开发了双核心可拆型防屈曲耗能支撑,并做了性能试验研究,地震后可直接拆解察看是否破坏。


  (5)作为强化式防屈曲耗能支撑,在试件制作时,利用主受?单元中间的强化节,可方?且精准地控制主受?单元与约束单元所需的间隙及相对位置的固定,使主受?单元及侧撑单元?能完整的发挥其应有的设计功能。


  (6)本装置核心单元采用板或T型,制作简单,易于得到。


  综上所述,本装置结合了成熟防屈曲耗能支撑的上述特点,因此在理论上是可行且性能优越的,但实际是否能起到“1+1≥2”的效果还有待于更深入的理论研究和试验论证以及实际工程的应用试点。


  4 结 语回顾结构振动控制已走过的近四十年历程,可知振动控制在理论、试验、技术和应用几方面均取得了丰硕成果,但也存在着一些问题,比如相关规范有待于丰富和完善以及国内各种减震装置工程应用较少等。其中减震装置的创新性研发并应用于实际工程将是,并将长期是一大热点问题。本文提出的新型防屈曲耗能支撑是根据“化零为整”、“1+1≥2”的思想将已有的成熟的各防屈曲耗能支撑的优点创新性的集合于一身而研发的,通过理论上简单的可行性分析验证了它的有效性,但实际与理论未必是吻合的,需要通过进一步理论和试验研究。理论上的创新能引导实践,反过来实践又能检验理论从而对其进行指导,希望广大科技工作者不断的去思考和研究,为结构控制领域和防震减灾事业开拓创新之路。


  参考文献[1] J T P Yao. Concept of structural control[J]. Journal of the Structural Division-ASCE,1992,98(7)[2] Casciati F. Control of nonlinear structures using the fuzzy control approach[J]. Nonlinear Dynamics,1996,11(2)[3] J N Yang,S Sarkani,F X Long. A response spectrum approach for seismic analysis of nonclassically damped structures[J]. Engineering Structures,1990,12(3)[4] J N Yang,Z Li,J C Wu,etal. Control of sliding isolated buildings using dynamic linearization[J]. Engineering Structures,1994,16(6)[5] J N Yang,J C Wu,Z Li. Control of seismic excited buildings using active variable stiffness systems[J]. Engineering Structures,1996,18(8)[6] Housner G W,Bergman L A,Caughey T K,etal. Structural control:Past,present,and future[J]. Journal of engineering mechanics-ASCE,1997,123(9)[7] J Suhardjo,B F Spencer,M K Sain. Feedback-feedforward control of structures under seismic excitation[J]. Structural Safety,1990,8[8] Cao H,Reinhorn A M,Soong T T. Design of an active mass damper for a tall TV tower in Nanjing,China [J]. Engineering Structures,1998,20(3)[9] Riley MA,Reinhorn AM,Nagarajaiah S. Implementation issues and testing of a hybrid sliding isolation system [J]. Engineering Structures,1998,20(3)[10] Wen Y K,Shinozuka M. Cost-effectiveness in active structural control [J]. Engineering Structures,1998,20(3)[11] 周福霖。 工程结构减震控制[M]. 北京:地震出版社,1997[12] 周云,李伍平,浣石,等。 防灾减灾工程学[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2007[13] 日本建筑学会,刘文光译。 隔震结构设计[M]. 北京:地震出版社,2006[14] 欧进萍。 结构振动控制——主动、半主动与智能控制[M]. 北京:科学出版社,2003[15] 周云。 粘滞耗能减震结构设计[M]. 武汉:武汉理工出版社,2006[16] 周云。 粘弹耗能减震结构设计[M]. 武汉:武汉理工出版社,2006[17] 周云。 金属耗能减震结构设计[M]. 武汉:武汉理工出版社,2006[18] 周云。 摩擦耗能减震结构设计[M]. 武汉:武汉理工出版社,2006[19] 周云。 防屈曲耗能支撑结构设计与应用[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2007[20] 日本隔震结构协会,蒋通译。 被动耗能减震结构设计施工手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2008


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