地震、风激励作用下高层建筑振动控制的研究

【摘要】：近年来,在一系列强震、强风作用下土木工程结构的失效,导致了数以万计的人员伤亡与数以亿计的财产损失,给人类带来了巨大的灾难。结构振动控制是解决土木结构在外界激励下失效的有效方法。本文针对地震、风激励作用下高层建筑振动控制的方法进行了研究,具体内容包括: 1.针对国内外学者多数集中于研究地震激励作用下结构线性反应的振动控制,本文着重研究了地震激励高层建筑非线性反应的半主动控制。 2.介绍了地震激励高层建筑非线性反应控制基准问题的定义。增加了评价指标P_1、P_2,分别反应最大层间塑性侧移角和各楼层层间塑性侧移角之和。结合基准问题中定义的十七个评价指标,更加全面地反应了结构发生塑性变形状况,完善了基准问题的定义。 3.创新地提出了地震激励高层建筑非线性反应的半主动H_∞控制。通过采用建议的静力凝聚—状态降阶的方法,获得20层基准建筑较精确的控制器设计模型。通过观测结构的部分楼层加速度和半主动控制力,构建了适用于半主动控制的Kalman-Bucy状态估计器,并设计了基于H_∞控制理论的半主动控制策略。H_∞控制算法有效地考虑了地震荷载的不确定性。编制了程序对受控结构进行了非线性地震反应数值仿真分析,同时,将结果与LQG控制结果进行了对比。分析表明,半主动H_∞控制有效地抑制了高层建筑的非线性地震反应,减小了强烈或罕遇地震对建筑结构的破坏。 4.创新地提出了地震激励高层建筑非线性反应的半主动模型预测控制。建立了地震激励高层建筑非线性反应的多步预测模型,实际结构中存在的非线性、时变、模型失配、干扰(非平稳随机的地震荷载)等因素的影响,通过每一时间步的非线性地震反应与模型预测输出之间的误差进行模型的反馈校正;同时预测模型中还考虑时滞的影响。采用楼层加速度、半主动控制力作为受控结构的观测输出,建立了基于非线性预测模型的Kalman-Bucy状态估计器。采用MR阻尼器用作控制装置,提出了半主动模型预测控制策略。编制了程序对受控20层基准建筑的非线性地震反应进行了数值分析;同时,将结果与LQG控制结果进行了对比分析。分析表明,半主动模型预测控制能有效地抑制高层建筑的非线性地震反应。半主动模型预测控制是一种基于离散时间系统的数字控制技术,易于对实际结构实施实时控制,具有广阔的应用前景。 5.介绍了高层建筑风振控制基准问题的定义。创新地提出了高层建筑风振反应的模糊