结构控制的发展与创新

摘 要：介绍了结构控制的历史与发展及其分类，叙述了防屈曲耗能支撑的构造和减震基本原理，结合结构控制理论提出了一种新型防屈曲耗能支撑，分析了其装置简易构造，并在理论上做了简要的可行性探讨。

关键词：结构控制；耗能减震；结构控制装置；防屈曲；耗能支撑

引言

所谓结构控制，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。结构控制实际上是把传统的利用结构本身来抵御外界荷载的概念提升到通过结构附加的耗能隔振装置来抵御外界荷载的作用，它可以有效的减轻结构在动力作用下的反应和损伤积累，提高结构的抗振能力和抗震性能，是结构抗振减振和防灾减灾积极有效的方法和技术，目前该技术已成为结构工程领域中最前沿的研究课题之一。

1 结构控制的历史与发展

1.1 结构控制的历史

1972年姚治平（Yao J.T.P.）在美国土木工程学会会刊上发表《结构控制的概念》，首先提出了在风及地震作用下在土木结构工程中应用控制理论，引起了工程界的重视[1]。Casciati和Yao对土木工程中主动控制的方法进行了系统的总结和分析对比[2]，Yang J.N.研究了非经典阻尼结构反应谱[3]、滑移隔震控制[4]和主动变刚度[5]系统等地震及风振随机激励下的控制及其优化问题。Soong、Martin、Roorda、Spencer、Bergman、Kurata等人做了大量结构控制研究，在我国是王光远院士最早从高耸结构风振控制开始研究的，随后包括刘季、欧进萍、李桂青、瞿伟廉、周锡元、王肇民、徐幼麟、周福霖、周云、唐家祥、李宏男、吕西林等众多学者进行了该领域的研究。结构控制领域逐步得到发展，1994年在美国召开了首届世界结构控制会议。1997年Housner、Soong、Yao等10位著名教授联名发表了《结构控制：过去、现在与未来》，对结构控制的历史沿革、主要内容、未来研究课题等都作了精湛的论述[6]。第二届世界结构控制会议上Suhardjo等发表了《结构控制：反馈的新前沿》，论述了混合控制、半主动控制及其在土木工程结构中的应用[7]；“Engineering Structures”杂志出版“结构控制”专集，刊载优秀论文11篇[8-10]。随着国际结构工程青年专家研讨会、国际动力学振动与控制会议、中日美结构控制和监测学术会议、结构地震响应控制及隔震建筑国际研讨会、国际隔震与耗能减震会议等相继在国内召开，可见我国结构控制技术发展也相当迅速，紧跟国际先进步伐，取得了大量丰富的研究成果。

1.2 结构控制分类

结构控制是土木工程结构前沿领域，也是各学科交叉的新技术领域。目前，其分类一般可按技术方法；按是否有外部能源输入；按与结构频率相关性这三种方式进行分类[11]，若按是否由外部能源输入大体上可分为被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制和智能控制这五类[11，12]。

1.3 结构控制发展方向

周福霖、欧进萍、周云等著作分别对隔震、主动、半主动、智能控制以及各类被动控制等进行了详细的归纳和总结[11，，13-20]，包括理论分析、试验研究、结构设计、工程应用和创新发展等方面，内容全面而丰富。经过总结分析，结构控制未来的发展方向主要有：（1）现有隔减震装置的改进；（2）主动控制装置计算法的研究；（3）各种减振装置的联合应用；（4）新型减振装置的研究；（5）数模与物模结合以及计算机优化控制。

2 防屈曲耗能支撑构造及减震原理[19]

为了解决普通支撑在强震作用下易受压屈曲造成支撑破坏或失效的问题，学者们研发出一种能防止屈曲的支撑构件，称为防屈曲耗能支撑，由于其性能稳定、减震效果显著，在日本、美国、加拿大、我国台湾等地区都得到了广泛的工程应用。防屈曲耗能支撑的构造组成主要从横向构成和纵向构成两方面来分析，如图1（a）所示，其横向构成分为核心单元、约束单元及滑动机制单元；纵向构成分为约束屈服段、约束非屈服段、无约束非屈服段、无粘结可膨胀材料和屈曲约束机构，其中核心单元，即芯材，是此构件中主要的受力元件，由特定强度的钢板制成。常见的截面形式为十字型、T型、双T型和一字型等，分别适用于不同的刚度要求和耗能需求。

（a）横向和纵向构成 （b）滞回曲线

图1 防屈曲耗能支撑的横向和纵向构成及其耗能性能

防屈曲耗能支撑的基本原理为：支撑结构在地震作用下所承受的轴向力作用全部由支撑中心的芯材承受，该芯材在轴向拉、压力作用下屈服耗能，而钢管和套管内灌注混凝土或砂浆提供给芯材弯曲限制，避免芯材受压时屈曲。防屈曲耗能支撑在受拉与受压时均能达到屈服而不发生屈曲，较之传统支撑具有更稳定的力学性能，经过合理的设计可使之具有高刚度和良好的滞回耗能能力，防屈曲耗能支撑和传统中心支撑滞回曲线对比如图1（b）所示。因此，防屈曲耗能支撑同时具有同心斜撑和滞回型耗能元件的优点，具有良好的应用价值。

3 新型防屈曲耗能支撑设计

3.1 新型防屈曲耗能支撑构造

鉴于钢砂浆板、低屈服点钢、双截面、强化式以及可拆型防屈曲耗能支撑所取得的研究进展，综合考虑以上几类防屈曲耗能支撑的优点并加以优化组合，提出了新型防屈曲耗能支撑，构造如图2所示，该装置的特点为：

（1）核心单元可以是板也可以是T型钢，外套一个矩形钢管，芯材的端部都是T形的，施工容易连接。

（2）矩形钢管与内部填充的砂浆构成槽型，二者相互连接作为屈曲约束单元，易标准化且制作简单。

图2 新型防屈曲耗能支撑简易构造图

（3）在钢板表面放置一层硅脂材料以减少粘结力，只有很小的间隙留给钢板在受压后膨胀。

（4）在核心钢板中部增大截面以加强中部，主消能段部分?仅只有一段，而是可按照需要进行多段式设计。