结构控制研究与应用

孙义朋

(金地集团烟台公司，山东烟台 264003)

0 引言

地震和风对建筑结构产生的危害一直是人们关心并一直致力解决的问题。传统的加大构件的截面尺寸或提高材料的强度等级等被动消极的结构对策，既不经济，又存在较大的问题［1］。随着人们对居住条件要求的日益提高，居住安全认识程度的日益加深，建筑抗震设计面临越来越多的挑战，如何有效控制地震等灾害对建筑造成的影响已经成为工程领域面临的一大问题。

1 结构控制研究与应用现状

1.1 结构控制分类

结构控制是人们对抗自然震灾、风灾等自然灾害所获得一项巨大突破，J.P.Yao(1972)［2］首先将这种思想和理念转化为现实并系统地在工程领域进行系统地研究拓展，他将一些现代的控制理论应用到工程实践中，通过建立一些耗能类的装置实现结构控制的目标，这种积极主动的抗震设计新思想在土木工程界受到广泛重视。结构控制可以分为被动、主动、半主动、杂交四类控制系统［3，4］。

1.2 结构控制的应用与实例

1.2.1 主动控制的应用与实例

主动控制应用于工程实践是从20世纪80年代中后期开始的。世界首例A-TMD是日本京桥成和大厦分别控制水平和扭转振动，当风速为20 m/s时，顶层位移减少近60%。

顾明等针对风荷载对高层建筑的影响，提出一种简单的设计方法可以有效降低风荷载对高层建筑的振动影响。Lev Zeltin将层间交叉锚索应用于高层建筑的控制系统，此种方法能够增强对结构的控制效果。Roorda研究将气体脉冲发生器应用到高耸结构的结构控制系统之中，研究表明提出的控制系统对于桥梁结构和高层建筑风振影响控制效果良好。王强，安立刚等通过改变钢板的平面几何形状减小应力集中，提出一种利用钢板平面内受力屈服耗能的新型钢板耗能阻尼器，通过分析表明耗能效果较好。

主动控制无疑是一种比较理想的方法，可以提供很大的作用力，在地震过程中进行主动防御控制，但是所需的控制设备很昂贵，推广受到了一定的影响。

1.2.2 被动控制的应用与实例

结构被动控制主要是在结构中加入消耗地震能量或者起到吸振作用的装置来达到控制震害的目的。

我国的TMD如九江铁路公路两用长江大桥，我国著名的43层香港汇丰银行新大楼也都是采用此类的设计方法(见图1)。欧进萍等通过将Pall摩擦耗能器进行改进实现结构的耗能抗震，通过力学分析以及大量的数值计算分析验证了改进成的钢板耗能器，能够显著降低地震对结构造成的影响。

被动控制低廉的造价，且原理简单操作便宜，使得其在实际工程中得到大量应用。

1.2.3 半主动控制的应用与实例

半主动控制最早在日本开始应用，代表性的工程实例就是建于1990年的东京鹿岛技术研究所大楼。应用可变阻尼的Kajima Shizuoka大楼也是采用此种控制体系(见图2)。

图1 香港汇丰银行新楼

图2 Kajima Shizuoka大楼

国内刘季和李敏霞首次完成我国变刚度半主动结构控制的振动台试验。阎兴华提出“可控消能减震”的理论，该方法能够有效降低地震对建筑结构造成的影响，研究表明可将地震位移反应降低一半以上。

相比于主动控制，半主动控制价格较为低廉，而且在工程实施过程中操作相对简单易于掌握，因而具有较大的发展潜力。

1.2.4 杂交控制的应用与实例

杂交控制是主动与被动两种控制体系的结合体，将两种控制方法在同一结构中综合应用。按照组成元素在控制作用中所起作用可以分为主从组合方式和并列方式两种形式。

J.N.Yang等［6］将主动控制体系和被动控制体系联合的思想引入到工程领域之中，通过橡胶隔振基础与TMD的联合应用，实现了两种结构控制体系的融合，并对相关理论进行了研究分析。

2 基于性能的结构控制的设计方法

基于结构性能的抗震设计思想实际上就是针对未来可能发生的地震灾害对建筑采取一定的措施使其能够满足基于假设震灾情况下的性能要求。目前的基于性能的设计实际上还是基于位移的抗震设计，主要有以下几种方法。

2.1 延性系数设计方法

按延性系数的设计方法主要在新西兰等国家被采纳应用。这种方法是从构件的延性指标如延性系数和截面曲率等与混凝土发生塑性屈服区域的应变关系出发，使混凝土能够充分发挥其强度特性，最大限度的保证结构的延性。

2.2 能力谱法

能力谱法的最早提出者是Fereman，由于其初期理论存在一些缺陷，在后期的发展过程中，不断被各国研究学者所改进与完善。方法的实质是基于结构弹塑性分析受力的基础上对其进行设计，然后考虑结构的形变对其进行校核。虽然能力谱法还有很多不完善的地方，但方法本身对于震灾情况下结构的表现可以进行直观的评价，因而目前很多国家依然采用此种方法。

2.3 基于位移的设计方法

从方法的概念上可以看出，此方法的本质就是直接以位移作为结构抗震设计的依据，以结构的位移指标对结构进行设计，使其满足规范要求的某种使用功能以及结构性能要求。

方法的概念清楚，并且在设计过程中可以直接获得构件的截面特性，又可以反映结构在震灾过程中破坏的实质情况，基于位移设计方法的诸多优点使其比其他几种方法的应用范围更加广泛。

3 结构控制存在的问题与发展方向

3.1 结构控制存在的问题

结构振动控制经过国内外研究学者近几十年的不断研究与探索，虽然不仅理论、试验方面取得了诸多的创新与发现，而且在大量的工程应用之中都取得了不小的进步，对于地震和风荷载等破坏影响起到了很好的控制作用，但在控制模型和控制理论等方面存在一些问题：

1)结构控制的模型问题。结构控制所建立的模型对于建筑物在实际工作中的效应没能考虑完全，例如模型对土—结构之间相互作用考虑问题等;

2)结构控制的理论的研究工作还有待深入。结构控制从提出至今其内容体系一直处于不断完善的进程当中，对于结构控制所涉及的一些细节问题研究尚未充分。例如控制结构以及参数的优化问题，其他学科在此领域中关键问题解决中的交叉应用等;

3)结构控制的措施存在问题。目前实际工程中采用的控制措施往往造价高昂，并且结构复杂，实际施工难度较大，这些都限制了结构控制在工程实践中的大量推广应用。

3.2 结构控制的发展方向

基于性能的抗震设计理论在国内外大量学者的不懈努力下，无论从理论创新还是工程应用方面都取得了很大的进展，目前结构控制的思想以及理论已经在工程建设中得到大范围的推广和应用，并且衍生出了众多的发展方向需要工程人员共同奋斗。

1)性能设计的理论框架方面还有待于扩充和完善，对于建筑实际工作状态下的一些作用效应应该进行全方位考虑，使其理论更贴合实际;

2)地震具有地域性差异，有的地区位于地震带上而有的地区极少受到地震影响，因此考虑各地实际情况的结构控制目标的设立有待于深入研究;

3)目前我国的建筑体系处于高速发展阶段，在现阶段建立符合本国国情的性能目标，也是结构控制的一个发展方向;

4)可靠度是我国建筑设计中广泛采用的方法，因此有必要在结构控制理论中进行基于性能设计的可靠度研究。

［1］ 周锡元，阎维明，杨润林.建筑结构的隔振、减振和震动控制［J］.建筑结构学报，2002，23(2)：2-10.

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

［3］ 李忠献.结构地震反应优化阻尼器控制及非经典阻尼结构动力分析［D］.天津：天津大学博士论文，1991.

［4］ 李桂青，邹祖军.结构振动控制评述［J］.地震工程与工程振动，1987，7(1)：83-93.

［5］ 李宏男，阎 石.中国结构控制的研究与应用［J］.地震工程与工程振动，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.