高层建筑控制的应用研究

1混合控制的特点及计算

所谓结构振动控制，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。结构振动控制按是否需要外部能量输入，可分为被动控制、主动控制、半主动控制、智能控制、混合控制5类。混合控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量，又可以利用主动控制系统来保证控制效果，比单纯的主动控制能节省大量的能量，因此有着良好的工程应用价值。这种方法被学术界统称为混合控制方法，其具有控制效果好、造价低、易于实现等优点，因而其理论发展较快，且是一种很有发展前景的结构控制方法。

混合振动控制中的被动振动控制技术和主动振动控制技术弥补了彼此的缺点，对高频振动和低频振动都有很强的隔离能力，它具有以下特点:

1)具有自动失效保护和增强系统可靠性的特性。因存在被动振动控制系统，可减少某些环境变化或硬件系统失效引起的主动振动控制系统失效或整体系统失稳;2)具有较低的硬件控制系统成本。混合振动控制中的被动控制构件常是阻尼器，对高阶模态振动抑制效果显著，而对低阶模态控制效果有限。主动振动控制部分在一定的低频带有效，控制频率范围的缩小，可降低对硬件的要求，从而降低控制系统的制造成本;

3)混合振动控制中的被动部分使主动部分的增益裕度和相位裕度扩大，改善了结构的鲁棒性及稳定性;4)混合振动控制中的被动阻尼能够消除由于结构的不确定性引起的溢出。因被动部分可抑制整体结构的高频振动，可设计一个低通滤波器，减小主动部分所作用的频率范围，从而避免模态溢出;5)混合振动控制可节省主动振动控制所需的能量。由于被动部分耗散高频振动能量，降低对主动振动控制部分的能量要求，降低了作动器承载水平，也能延长作动器的寿命。

1.1混合控制的分类混合控制可以分为狭义混合控制和广义混合控制，通常所说的混合控制是指狭义混合控制。狭义上讲混合控制就是被动控制与主动控制混合。其中主要有:主动控制与基础隔震混合，主动控制与消能减震混合。广义混合控制是指从被动控制、主动控制或半主动控制形式中选取两种或两种以上控制技术相结合，组成新的结构振动控制体系。这样可以达到减震效果好、安全可靠、造价经济，现实可行的目的。从广义上来讲，混合控制包含了很多内容，其主要分类如图1所示。

1.2混合控制的计算与优化1.2.1计算方法混合控制的计算方法主要是根据组合类型不同而变化的，不同的类型有不同的计算方法。许多被动控制系统具有非线性或者非弹性的性质。如果混合控制系统是由被动控制系统和主动控制系统组成的，那么，对结构进行混合控制就相当于对非线性或者非弹性结构进行主动控制。二者在算法上具有一致性。

目前的混合控制都可以归纳为由被动控制和主动控制这两个基本单元组合而成。而主动控制有其独特的优越性，因此在混合控制中常常包含主动控制单元。限于篇幅，这里就以AMD－TMD混合控制中的主动控制计算方法进行阐述，力学模型如图2所示。对于受调谐质量阻尼器主被动控制的高层建筑，其风振反应的运动方程可表示为［1］:式中，{U(t)}为L维的控制力向量;{X}，{X·}，{X}为N维的结构层位移、层速度和层加速度向量;［M］，［C］，［K］为N×N阶的结构质量、阻尼和刚度矩阵;{P(t)}为N维的脉动风荷载向量;{ω}，{ω·}，{ω}，为调谐质量阻尼器相对于其所在结构层的L维位移、速度和加速度向量，其中L为调协质量阻尼器总数;［MA］，［CA］，［KA］为L×L阶的主动调谐质量阻尼器的质量、阻尼和刚度矩阵，它们为互不耦联的对角线矩阵。［H］=［［H1］，［H2］，……，［HL］］为N×L阶的主动调谐质量阻尼器位置矩阵，若第i个调谐质量阻尼器设置在结构第k层:［Hi］T=［0，……，0，1，0，……，0］1×N(其中1在第k列)。

1.2.2混合振动控制优化主动振动控制和被动振动控制同时应用于被控制对象时，二者形成的混合振动控制系统要达到良好的控制效果需对整体进行优化。这是因为:①单纯的被动最优控制与单纯的主动最优控制方案简单叠加后组成的混合振动控制方案不一定是整体最优，因而要达到整体优化必须寻找一种新的优化算法;②混合振动控制中的被动耗能器等往往受材料性能的影响，达到最优振动抑制效果的混合振动控制方案，使得相同技术参数的耗能材料或耗能器应用范围更加广阔，将大大推动被动耗能器件的发展。

③主动振动控制设计中，输入控制能量最小，是主动振动控制优化目标的重要组成因素，被动振动控制结构参数适当微小的变化将会显著降低原控制结构对输入能量的要求，并能产生同样甚至更好的控制效果。振动控制的优化包括阻尼器和作动器个数、位置及二者的比例，目标函数和约束条件视不同要求而定，可以是模态阻尼比、附加质量、特定自由度上的响应等。在阻尼器和作动器的优化配置中，有3种优化算法得到普遍重视:①遗传算法;②模拟退化算法;③试凑法。

2结论与展望

2.1结论本文首先介绍了结构振动控制的概念和工作原理;指出了高层建筑风振响应的危害及产生机理，以及对其施加控制的意义。然后通过对目前常用的几种控制方法进行对比，阐述了混合控制在建筑振动控制中的巨大优势。并以目前常用的AMD－TMD混合控制为例，简要介绍了混合控制中主动控制系统对于风振反应所需施加作用力的计算方法。主要得出以下结论:1)混合控制方法较主、被动控制方法有效果好、造价低、易于实现等优点，将其推广并应用在高层建筑中具有良好的实际意义。2)混合控制对于高层建筑风振响应控制有完整的设计理论和设计方法，其中的一些方法(如AMD－TMD系统)已经可以作为一种较成熟的方法应用于高层建筑风振控制中。

2.2展望在高层建筑如雨后春笋般拔地而起的今天，无论是高度还是造型上都不断地冲击着人类想象力的极限，建筑物抵抗振动的能力也时刻在接受着挑战。传统提高建筑结构抵抗振动能力的方法，实际上是略带盲目性质的。而振动控制技术却能够有计划、有目标的去进行建筑结构的振动控制，做到有的放矢。这样就可以根据控制的对象和控制方法进行优化，既能提高建筑的安全水平又能提高经济效益。混合控制技术在高层建筑风振控制中的应用还存在许多难点需要克服，例如:1)由于目前主动控制技术还不成熟，混合控制的发展也受到很大的限制。因此，在今后的研究当中应加大对主动控制技术的力度，克服主动控制技术存在的种种缺陷。

2)混合控制优化的研究。在考虑安全性、经济性、适用性的前提下，如何最佳控制效果?在风荷载较小时、较大时和强烈时如何区别对待等问题也非常值得研究。3)混合控制的概念还在进一步的拓展，智能材料的利用还处在起步阶段，如何有效地利用新兴的控制技术、控制方法进行组合叠加，从而创造出更加合理可靠的混合控制技术，也是一个非常有价值的研究领域。由于高层建筑遭受风荷载作用的频率远远大于地震作用，因此对于高层建筑的风振反应，采用振动控制方法进行削弱具有十分重要的意义。

一些初步研究表明混合控制的性能大大优于被动控制，甚至可达到或超过主动控制的性能，并在稳定性与适用性方面要优于后者，因此成为当前研究的一个热点。混合控制可以利用各控制方法的优点，拓宽控制系统的应用范围，既保证控制效果又降低控制力，特别是在强烈地震作用下，混合控制更具有优越性，因此混合控制将会得到更广泛的研究与应用。（本文来自于《四川建材》杂志。《四川建材》杂志简介详见.）

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