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结构地震反应控制

/structural seismic response control/
条目作者周颖赵斌
条目作者周颖

周颖

赵斌

赵斌

最后更新 2023-02-10
浏览 129
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在结构中设置主动或被动控制装置,实现控制结构地震反应的技术。

英文名称
structural seismic response control
所属学科
土木工程

结构地震反应控制在很大程度上摒弃了传统结构设计中,依靠增加结构的刚度和强度增强结构自身抗力来抵御地震作用的基本思路,转而通过在结构系统中设置特殊耗能装置来控制结构的地震反应,确保结构满足抗震设防要求。主要应用于新建或既有的各类土木工程结构,尤其对于使用传统抗震技术难以实现结构性能目标的各种超高、超长、超柔、大跨、复杂和不规则结构,可取得显著的控制效果。

结构地震反应控制的早期实践始于19世纪末。1885年,J.米尔恩[注]最早设计出一种将房屋置于滚球支座上的隔震结构,1909年,J.A.卡兰塔里恩斯[注]设计出另一种使用滑石或云母将建筑与基础隔离的隔震结构。1956年,T.古堀提出结构反应主动控制的基本概念,最早将主动控制的概念引入土木工程结构中。1972年,美籍华裔学者姚冶平结合前人研究成果和现代控制理论,提出了结构反应控制的完整概念和方法。其后,各种不同类型的控制技术被提出和应用。结构反应控制技术首先用于结构抗风领域,随着技术的发展逐渐应用于结构抗震领域,从而促成了关于结构地震反应控制方法的广泛研究和应用。1980年,中国学者王光远首先提出高耸结构风振控制方法,使得结构振动控制在中国被广泛重视,并逐步应用于结构抗震领域,从而推动了中国结构地震反应控制理论、技术和应用的发展。

结构地震反应控制按照控制装置的运行方式及对外部能源的需求情况,可分为主动控制、被动控制、半主动控制和混合控制。实际应用过程中,需要根据各种控制方式的技术特点,以及结构性能需求和经济指标等进行综合考虑和选择。

通过现代控制技术实时监测输入的外部激励和结构反应,再通过分析计算出伺服加力装置需要对结构施加的控制力,实现自动调节,使结构在地震作用下的结构反应控制在允许的范围内,从而达到保护结构和设备的目的。主动控制的主要特点是需要外加能源,控制效果理论上可根据具体需求达到最佳控制水平,但技术复杂、造价高昂、可靠性相对较低。

被动控制是一种无须外加能源的控制方法,其控制力是由耗能装置随结构一起振动而被动产生的。被动控制主要包括隔震技术和消能减震技术。隔震技术通过隔震支座的使用可显著延长结构周期,减小上部结构的地震响应;消能减震技术通过引入附加阻尼装置消耗地震能量,实现对主体结构的保护作用。被动控制相比于其他的控制方式,技术最成熟,减震效果良好,造价低廉,容易实现,应用最广。

半主动控制是一种需要少量外加能源的控制方法,其控制力虽然也由控制装置自身的振动而被动产生,但在控制过程中控制装置可以利用少量外加能源主动调整自身的阻尼和刚度等技术参数,从而起到调节控制力和优化控制效果的作用,主要包括主动变刚度和主动变阻尼两种控制方式。

在结构上同时应用被动控制和主动控制,或者是同时采用不止一种的被动控制装置,从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装置的长处,取长补短,以获得更好的控制效果。

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