結構控制研究與應用

孫義朋

(金地集團煙臺公司，山東煙臺 264003)

0 引言

地震和風對建筑結構產生的危害一直是人們關心并一直致力解決的問題。傳統的加大構件的截面尺寸或提高材料的強度等級等被動消極的結構對策，既不經濟，又存在較大的問題［1］。隨著人們對居住條件要求的日益提高，居住安全認識程度的日益加深，建筑抗震設計面臨越來越多的挑戰，如何有效控制地震等災害對建筑造成的影響已經成為工程領域面臨的一大問題。

1 結構控制研究與應用現狀

1.1 結構控制分類

結構控制是人們對抗自然震災、風災等自然災害所獲得一項巨大突破，J.P.Yao(1972)［2］首先將這種思想和理念轉化為現實并系統地在工程領域進行系統地研究拓展，他將一些現代的控制理論應用到工程實踐中，通過建立一些耗能類的裝置實現結構控制的目標，這種積極主動的抗震設計新思想在土木工程界受到廣泛重視。結構控制可以分為被動、主動、半主動、雜交四類控制系統［3，4］。

1.2 結構控制的應用與實例

1.2.1 主動控制的應用與實例

主動控制應用于工程實踐是從20世紀80年代中后期開始的。世界首例A-TMD是日本京橋成和大廈分別控制水平和扭轉振動，當風速為20 m/s時，頂層位移減少近60%。

顧明等針對風荷載對高層建筑的影響，提出一種簡單的設計方法可以有效降低風荷載對高層建筑的振動影響。Lev Zeltin將層間交叉錨索應用于高層建筑的控制系統，此種方法能夠增強對結構的控制效果。Roorda研究將氣體脈沖發生器應用到高聳結構的結構控制系統之中，研究表明提出的控制系統對于橋梁結構和高層建筑風振影響控制效果良好。王強，安立剛等通過改變鋼板的平面幾何形狀減小應力集中，提出一種利用鋼板平面內受力屈服耗能的新型鋼板耗能阻尼器，通過分析表明耗能效果較好。

主動控制無疑是一種比較理想的方法，可以提供很大的作用力，在地震過程中進行主動防御控制，但是所需的控制設備很昂貴，推廣受到了一定的影響。

1.2.2 被動控制的應用與實例

結構被動控制主要是在結構中加入消耗地震能量或者起到吸振作用的裝置來達到控制震害的目的。

我國的TMD如九江鐵路公路兩用長江大橋，我國著名的43層香港匯豐銀行新大樓也都是采用此類的設計方法(見圖1)。歐進萍等通過將Pall摩擦耗能器進行改進實現結構的耗能抗震，通過力學分析以及大量的數值計算分析驗證了改進成的鋼板耗能器，能夠顯著降低地震對結構造成的影響。

被動控制低廉的造價，且原理簡單操作便宜，使得其在實際工程中得到大量應用。

1.2.3 半主動控制的應用與實例

半主動控制最早在日本開始應用，代表性的工程實例就是建于1990年的東京鹿島技術研究所大樓。應用可變阻尼的Kajima Shizuoka大樓也是采用此種控制體系(見圖2)。

圖1 香港匯豐銀行新樓

圖2 Kajima Shizuoka大樓

國內劉季和李敏霞首次完成我國變剛度半主動結構控制的振動臺試驗。閻興華提出“可控消能減震”的理論，該方法能夠有效降低地震對建筑結構造成的影響，研究表明可將地震位移反應降低一半以上。

相比于主動控制，半主動控制價格較為低廉，而且在工程實施過程中操作相對簡單易于掌握，因而具有較大的發展潛力。

1.2.4 雜交控制的應用與實例

雜交控制是主動與被動兩種控制體系的結合體，將兩種控制方法在同一結構中綜合應用。按照組成元素在控制作用中所起作用可以分為主從組合方式和并列方式兩種形式。

J.N.Yang等［6］將主動控制體系和被動控制體系聯合的思想引入到工程領域之中，通過橡膠隔振基礎與TMD的聯合應用，實現了兩種結構控制體系的融合，并對相關理論進行了研究分析。

2 基于性能的結構控制的設計方法

基于結構性能的抗震設計思想實際上就是針對未來可能發生的地震災害對建筑采取一定的措施使其能夠滿足基于假設震災情況下的性能要求。目前的基于性能的設計實際上還是基于位移的抗震設計，主要有以下幾種方法。

2.1 延性系數設計方法

按延性系數的設計方法主要在新西蘭等國家被采納應用。這種方法是從構件的延性指標如延性系數和截面曲率等與混凝土發生塑性屈服區域的應變關系出發，使混凝土能夠充分發揮其強度特性，最大限度的保證結構的延性。

2.2 能力譜法

能力譜法的最早提出者是Fereman，由于其初期理論存在一些缺陷，在后期的發展過程中，不斷被各國研究學者所改進與完善。方法的實質是基于結構彈塑性分析受力的基礎上對其進行設計，然后考慮結構的形變對其進行校核。雖然能力譜法還有很多不完善的地方，但方法本身對于震災情況下結構的表現可以進行直觀的評價，因而目前很多國家依然采用此種方法。

2.3 基于位移的設計方法

從方法的概念上可以看出，此方法的本質就是直接以位移作為結構抗震設計的依據，以結構的位移指標對結構進行設計，使其滿足規范要求的某種使用功能以及結構性能要求。

方法的概念清楚，并且在設計過程中可以直接獲得構件的截面特性，又可以反映結構在震災過程中破壞的實質情況，基于位移設計方法的諸多優點使其比其他幾種方法的應用范圍更加廣泛。

3 結構控制存在的問題與發展方向

3.1 結構控制存在的問題

結構振動控制經過國內外研究學者近幾十年的不斷研究與探索，雖然不僅理論、試驗方面取得了諸多的創新與發現，而且在大量的工程應用之中都取得了不小的進步，對于地震和風荷載等破壞影響起到了很好的控制作用，但在控制模型和控制理論等方面存在一些問題：

1)結構控制的模型問題。結構控制所建立的模型對于建筑物在實際工作中的效應沒能考慮完全，例如模型對土—結構之間相互作用考慮問題等;

2)結構控制的理論的研究工作還有待深入。結構控制從提出至今其內容體系一直處于不斷完善的進程當中，對于結構控制所涉及的一些細節問題研究尚未充分。例如控制結構以及參數的優化問題，其他學科在此領域中關鍵問題解決中的交叉應用等;

3)結構控制的措施存在問題。目前實際工程中采用的控制措施往往造價高昂，并且結構復雜，實際施工難度較大，這些都限制了結構控制在工程實踐中的大量推廣應用。

3.2 結構控制的發展方向

基于性能的抗震設計理論在國內外大量學者的不懈努力下，無論從理論創新還是工程應用方面都取得了很大的進展，目前結構控制的思想以及理論已經在工程建設中得到大范圍的推廣和應用，并且衍生出了眾多的發展方向需要工程人員共同奮斗。

1)性能設計的理論框架方面還有待于擴充和完善，對于建筑實際工作狀態下的一些作用效應應該進行全方位考慮，使其理論更貼合實際;

2)地震具有地域性差異，有的地區位于地震帶上而有的地區極少受到地震影響，因此考慮各地實際情況的結構控制目標的設立有待于深入研究;

3)目前我國的建筑體系處于高速發展階段，在現階段建立符合本國國情的性能目標，也是結構控制的一個發展方向;

4)可靠度是我國建筑設計中廣泛采用的方法，因此有必要在結構控制理論中進行基于性能設計的可靠度研究。

［1］ 周錫元，閻維明，楊潤林.建筑結構的隔振、減振和震動控制［J］.建筑結構學報，2002，23(2)：2-10.

［2］ J.P.Yao.Concept of structural control.J Struct Div，ASCE，1972，98(7)：1567-1574.

［3］ 李忠獻.結構地震反應優化阻尼器控制及非經典阻尼結構動力分析［D］.天津：天津大學博士論文，1991.

［4］ 李桂青，鄒祖軍.結構振動控制評述［J］.地震工程與工程振動，1987，7(1)：83-93.

［5］ 李宏男，閻 石.中國結構控制的研究與應用［J］.地震工程與工程振動，1999，19(1)：107-112.

［6］ J.N.Yang，Danielians A，Liu S C..A seismic Hybrid control systems for building structures，Journal of Engineering Mechanics，1991，117(4)：836-853.