被动控制器优化设计方法研究

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1、厦门大学硕士学位论文第一章绪论量)FAt)=一alX-q又(1．3)其中，G1、G2分别为位移反馈增益矩阵和速度反馈增益矩阵。将(1．3)式代入(1．1)式中，得到安装有主动控制装置的结构的运动方程朋碧+(c+G2)又+(五+G1)x=F(f)(1．4)对比(1．4)式与(1．2)式，可知M’=M，C’=C+G2，K‘=置+q，F‘(f)=F(f)由此可见，安装控制装置后，结构的动力特性发生了变化，从而使减小或抑制结构的动力响应成为可能。1．3被动控制技术的研究与发展现状建筑结构被动控制是在结构中布置一些装置以达到隔离、调谐、耗

2、能减振的目的，被动控制研究和应用已有30余年的历史，其研究和应用大体上有基础隔震和被动耗能减振两个方面。1881年日本河合浩藏提出了结构基础隔震的概念，1924年日本鬼头健三郎提出了结构基础隔震方案。1978年美国Kelly和Eidinger提出了叠层橡胶支座隔震方法和技术，从此结构基础隔震进入蓬勃发展的阶段。基础隔震是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层，使之与固结于地基中的基础顶面分开，限制地震动向结构物的传递。目前采用的基础隔震主要用于隔离水平地震作用，隔离层的水平刚度应显著低于上部结构的侧向刚度，这样，延长了结构的自振周

3、期，使结构的加速度反应大大减小。同时，结构在地震反应过程中大变形主要集中在基底隔震层处，而结构本身的相对变形小，此时可近似认为上部结构是一个刚体，从而为建筑物的地震防护提供良好的安全屏障。常用的隔震器有叠层橡胶支座、螺旋弹簧支座、摩擦滑移支座等。目前国内外应用最广泛的是叠层橡胶支座，尤其是铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座，由于不用另附阻尼器，施工简便易行，在国际上十分流行。隔震桥梁和建筑已在国内外建成了上千座，并经受了地震的考验。被动耗能减振是无外加能源的控制，只需要在结构上设置非结构构件的耗能元件耗散结构振动的能量、减轻结构的动力

4、反应，这种耗能元件就是被动控制3厦f1大学硕士学位论文第一章绪论器，因此，被动耗能减振的研究就是对被动控制器的优化设计的过程。被动控制器的优化设计包括参数优化和位置优化两个方面。在这两个方面，只有不多的科研人员进行过研究。在隰尼器的参数优化设计方面，基前常用的被动控刺器酶参数优化方法主要有Kosut提出的最小误差激励法和最小范数法，以及日本学者下乡太郎提出的等效最优控制法等【6】，为最优控制理论在结构被动控制设计中的应用奠定了理论基础；在阻尼器的位置优化设计方面，Chang和Soong(1980)应用极小化振型控制性能指标方法研

5、究了结构中安装少量主动控制装置的位置优化问题【71；Cheng和Pantelides(1988)计算了高层建筑结构各楼层的能控性指标，进而求得主动控制装置的最优位置强1；Agrawal和Yang(2000)针对地震和风作用下确定络构中被动阻尼器最优位置，演算了五种性能指标和三静迭代寻优方法，发现劣除优入(worst-out-best-in)方法及独立位置置换方法(singlepointsubstitution)在迭代寻优中能更快接近最优结果【91。Zhang和Soong[101使用一种简单的连续搜索方法，在10层高的非均匀的剪切

6、型建筑上布置4个阻尼器，找到了它们的优化位置。我国吴波、欧进萍应用该搜索方法对三维结构，即考虑结构的扭转效应，进行了被动阻尼器的位置优化【娃l；滕军基于线性二次高斯((LQG)模型给蹦了结构系统最优控制性栽指标增量的计算方法和各控制作用对系统最优控制性能指标贡献量的分析方法，由此得到了结构系统控制作用位置最优分布的设计方法【12】。他们的结果表明：阻尼器位置优化后对结构的减震效果要优予未进行位置优化的减震效果。然而，这种连续的搜索方法，会导致局部的优化解。上述大多数文献在进行控制器的优化设计时采用的结构模型均为平面框架模型，只有

7、少数文献针对三维实体模型进行了控制器的优化设计研究flo】Ill】。虽然采用平面框架模型能够简化计算，但实际建筑是三维实体结构，因此采用平面框架模型很难反应结构的真实情况。针对三维实体结构进行控制器的优化设计研究是当前的研究热点之一，许多学者致力于将控制器安装在真实结构中，并取得了～定的实验测试效果，为进一步开展研究积累了丰富的经验【131。随着社会的发展，建筑中非结构构件和设备抗震设计的重要性臼益突出。非结构构件和设备，虽然仅是建筑物的附属部分，但它们的震害却不容忽视。因为有关统计资料表明，现代建筑中非结构构件和设备造价可高达

8、总造价的四分之三，其震害的直接损失已经很大。而且非结构构件和设备的破坏还宥可能在相当4厦门大学硕士学位论文第一章绪论长时间内影响建筑物的正常使用，造成较大的间接经济损失。一些关键设备，如储有易燃、易爆、有毒物质的容器的破坏还会造成更为严重的次生灾害【141。有鉴