1、土木工程智能结构系统,欧进萍大连理工大学哈尔滨工业大学,引 言I.结构振动控制系统II.结构健康监测系统III.智能混凝土、制品与结构,引 言,重大工程大型结构、重要基础设施、重大岩土工程自然灾害作用 地震作用、强风作用、极值风浪作用 结构振动、地表塌陷、山体滑坡,地震灾害,唐山地震中，24.2万余人死亡、整座城市瞬间夷为平地神户地震中，6000人死亡，35万人受伤，300万人无家可归，损失超过1500亿美元,风致振动及其危害,特殊的风振效应涡激振动、驰振、颤振、抖振 可能导致结构振动发散长期的风振效应将导致结构疲劳损伤与裂纹扩展,岩土工程灾变危害,耐久性失效及危害,钢材腐蚀与疲劳损伤混凝土开
2、裂与剥离结构抗力严重退化,重大工程的灾变危害已经成为制约工程活动和重大工程安全运行的关键问题危及社会和经济的可持续发展,监测 与 控制是重大工程灾害（变）演化规律研究与安全保障的重要途径,自感知自诊断自适应自愈合,智能材料与结构系统,结 构,智能结构系统,传感系统,数据处理监测诊断 系统控制决策,驱动系统,监测、诊断与控制是智能结构系统的主要功能,I.结构振动控制系统,被动控制系统（隔震与耗能减振）不可控也不需要动力,结构振动控制分类,50年代：结构变刚度概念日本Kobori60年代：沙层或橡胶层基础隔震结构中国李立60年代末：叠层橡胶支座隔震美国Kelly 基础隔震发展70年代初：结构设置金
3、属耗能元件美国Kelly 结构耗能减振发展72年：结构振动的现代控制方法美国Yao 结构主动控制发展80年代末90年代初：AMD、半主动控制系统 结构主动控制应用90年代：智能驱动材料的应用 结构振动的智能控制兴起,发展概况,1.结构基础隔震,考验：1995年日本神户地震设计规程：我国及世界其它国家难题：结构竖向隔震,近20年我国已经建成500余座隔震建筑,2.结构耗能减振,耗能减振体系的分析和设计方法线性非正交阻尼体系非线性体系设计指南和规程研究方向：结构抗灾性态控制,Viscous Damper ProductsVD-100,VD-200,VD-500,There are 4 compan
4、ies for making passive dampers,2.2 Seismic Design Approaches of PEDS,1)Modal decomposed response spectrum method2)Pushover analysis3)Time history response analysis method,Seismic Design Code of Buildings（GB50011-2001),Seismic Damage Model,(Park&Ang,1985),i)Seismic Damage Analysis,(Ou et al,1993),2.3
5、 Damage Performance-Based Design Method(DPBDM)Based on the capacity spectrum,Normalized cumulative energy dissipation parameter,(Fajfar,1992),if T11.5s,h=0.8,1.0,otherwise h0.8,Seismic damage model expressed by h,m and cu,ii)Seismic Damage Performance Objectives,Seismic Design Guideline of PEDSs（To
6、be published),Performance criterion of seismic damage:,iii)A Practical Example(OU et al,1999)Seismic Damage Performance-Based Design ofR.C.Structure for the Refectory of Zhenrong Middle School in Yunnan,R.C.frame,2 stories Seismic fortified intensity 9 degree i.e.max.acceleration 0.4g,Frictional dam
7、perwith T core,The seismic damage index of structure,Performance criterion of seismic damage:,沈阳市政府大楼摩擦耗能器抗震加固（吴波、李惠等，1998）,2.4 Applications of PEDSs,128 frictional dampers with multiple frictional layers,the maximum damping force 250kN,developed in HIT,北京饭店抗震加固的粘滞耗能减振应用（王亚勇等，1999）,156 JARRET(Viscou
8、s-Spring)dampers,maximum damping force 500kN,北京火车站抗震加固的粘滞耗能减振应用（魏承基等，2000）,28 viscous damper by Taylor Ld Co.,the maximum damping force 1200kN,Seismic response control of Jiangsu Suqian Construction Mansionusing viscous damper by the company of Jiangsu,China(LIU Weiqian et al,2003),Shanghai Huangpu
9、Five-star HotelAdjacent Buildings Connected by Oil Dampers（LU Xilin et al,2003),A 60-story ultra-tall building(333 m)with 10-story large podium(49.6 m)connected by oil dampers to reduce their torsional seismic response,The oil damper:,=0.15;C=250kNs/mThe maximum damping force:500kN,600kN 40 dampers
10、by the company in Shanghai,China,Hysteretic curve of damping force,More than 20 buildings with PEDSs have been built in China,3.结构主动控制系统,结 构,激 励,响 应,初期阶段（19721985）：现代控制理论的应用发展了各种主动最优控制算法 第二个阶段（19851992）：主动控制系统试验实现和工程应用起步ATS/ABS 和 AMD试验实现1989年日本Kajima建筑公司建成了世界上第一幢采用AMD系统的11层办公大楼京桥成和大厦 1990日本Kajima建筑公
11、司建成了世界上第一幢采用主动变刚度控制系统的三层办公楼 快速发展阶段（1992）:日本多栋采用AMD/HMD的建筑建成结构半主动控制和智能控制蓬勃掀起(能量输入少、控制鲁棒性好）结束了长期争论的结构主动控制的能源和系统可靠性问题,结构主动控制发展的主要阶段,19861989，美国Soong等人系统地完成了1:4模型的单层、三层和六层钢框架模型的ATS和AMD主动控制试验,ABS/ATS系统控制小型结构需要数千瓦、控制大型结构则高达数千千瓦能源（Soong et al，1991）,被动TMD系统的不足,只能控制结构某个振型的反应，而且控制效果对被控振型的频率非常敏感（最优频率比偏离5%时，控制效
12、果下降约30）不适合结构抗震控制TMD控制能力有限（质量之比3、给结构附加的阻尼比不超过4%）不适合大阻尼、如钢筋混凝土结构控制TMD系统的质量行程通常较大,HMD系统TMD和主动控制作动器组合而成 AMD系统质量块和主动控制作动器组成 质量块是作动器给结构施加控制力的支撑点,HMD系统,AMD系统,HMD/AMD系统一般设置在结构顶层,日本京桥成和大楼(1989),AMD-1,AMD-2,控制计算机,日本彩虹桥施工期桥塔HMD控制（19911992）,日本横滨LANDMARK大厦(1993),日本东京新宿52层建筑用TRIGON控制装置（1994）,Roller,南京电视塔，中国，2001（
13、未实现）,广州新电视塔(广州塔)HAMD控制系统（周福霖，欧进萍等，2012）,工程简介总高600m包括450m高塔楼和150m高天线桅杆固有周期达10.92秒 风敏感结构总建筑面积102,000m2塔体有37层封闭楼层分别作为观光层，餐厅，电视广播技术中心以及休闲娱乐区等体态生动建筑结构由一个向上旋转的椭圆形钢外壳变化生成相对于塔的顶、底部，其腰部纤细，体态生动,广州塔振动控制系统HMD=TMD+AMD消防水箱(5)重600吨*2AMD质量(1)重 57吨*2,直线电机驱动的AMD,主塔顶加速度控制效果,主塔顶位移控制效果,控制系统安装层平面图,广州塔主塔450m,基本周期11s,截至到20
14、03年,50 幢建筑物和高耸结构采用了主动或混合质量阻尼(AMD/HMD)控制技术15 座桥塔在施工阶段采用了主动或混合质量阻尼(AMD/HMD)控制技术（降低风振的效应）1 幢建筑物采用了主动变刚度控制技术9 幢建筑物采用了主动变阻尼控制技术1 幢建筑物、两座斜拉桥索采用了磁流变阻尼控制技术合计 76座,关注点：1）主动控制的能源供应 2）控制系统的可靠性,研究方向：1）半主动控制 2）加速度反馈控制,结 构,激 励,响 应,传感器,传感器,计算机（控制算法）,控制作动器,半主动控制装置,前馈信号,后馈信号,4.结构半主动控制系统,结构半主动控制发展的主要阶段,1960年日本Kobori提出
15、结构变刚度的减振概念1983年美国Hrovat提出半主动控制算法半主动控制系统尽可能实现主动最优控制力的规则1990年日本Kobori提出结构主动变刚度控制系统1920年代提出结构主动变阻尼机械控制装置1992年Kawashima等人、Mizuno等人和Shinozuka等人 同时提出了结构主动变阻尼控制系统 1994年Symans 和 Constantinou 做了较好的工作,世界上第一栋应用主动变刚度控制系统的日本Kajima研究所办公楼(1990),日本应用主动变阻尼控制系统的Kajima Shizuoka 建筑（1998）,结 构,激 励,响 应,传感器,传感器,计算机（控制算法）,控
16、制作动器,智能控制装置,前馈信号,后馈信号,5.结构智能控制系统,计算机（智能控制算法）,智能控制算法,智能控制装置（以智能驱动材料应用为标志）,混和智能控制,模糊控制 神经网络控制 遗传进化,智能控制,智能控制算法,智能控制装置（以智能驱动材料应用为标志）,混和智能控制,磁流变阻尼控制 压电驱动（或压电变阻尼）控制 形状记忆合金 阻尼控制,智能控制,智能控制算法,智能控制装置（以智能驱动材料应用为标志）,混和智能控制,智能控制算法智能控制装置,智能控制,5.1 结构智能控制装置发展的主要阶段,Ehrgott和Masri（1992）、Gavin等人（1993）较早地应用电流变液研制开发土木工程
17、结构主动变阻尼装置1997年Mcmahon和Makris研制开发出最大阻尼力达到445kN的电流变液阻尼器1995年，美国Lord公司报道性能优良的小型磁流变液阻尼装置1996年起，Spencer等人系统研究磁流变液阻尼器的性能与结构磁流变阻尼控制,结构振动的智能控制装置,特点：电、磁或温度控制出力大、能耗小、反应迅速,1）SMA阻尼器及其应用,2）SMA驱动元件损伤应急控制系统形 成智能混凝土结构损伤应急控制系统,智能SMA混凝土梁损伤应急控制分析与试验(李惠等,2001),(2)压电陶瓷,叠层式压电驱动器,压电摩擦可调阻尼器（欧进萍等,1999）,摩擦型,拟粘滞型,压电陶瓷驱动器中国电子科
18、技集团公司第二十六研究所研制,T字芯板压电摩擦可调阻尼器（欧进萍等,2002）,(3)磁致伸缩材料,磁致伸缩驱动器（Ackerman et al，1996）,(4)磁流变液及其智能阻尼器,1)本构关系,2)两种定型的磁流变液MRF270/50,MRF8000/50 哈尔滨泰达尔科技有限公司（欧进萍，关新春，李金海，2003）,y,3)磁流变液测试装置（欧进萍，关新春，李金海，2000）,实际装置照片,装置原理图,20吨MR阻尼器原型（美国Lord公司，1996）,热膨胀储液器,LORDRheoneticTM Seismic DamperMR-9000,MR 液体,3级活塞,直径:20 厘米,行
19、程:16 厘米,电源:50 瓦特,22 伏,4）磁流变阻尼器,LORDRheoneticTM Seismic DamperMR-9000,直径:20 厘米,行程:16 厘米,电源:50 瓦特,22 伏,20吨MR阻尼器原型（美国Lord公司，1996）,热膨胀储液器,MR 液体,3级活塞,4）磁流变阻尼器,20吨MR阻尼器（美国Lord公司，1996）,磁流变阻尼器与控制器定型产品MRD-10，MRD-200，MRD-400哈尔滨泰达尔科技有限公司（欧进萍，关新春，李金海，2003）,岳阳洞庭湖大桥斜拉索风雨振动的MR阻尼控制(主跨：2310m)（倪仪清,陈政清，Spencer等,2001),
20、5.2 工程应用,156根索采用312个Lord公司MR阻尼器控制,山东滨州黄河大桥(主跨：84+300+300+84 m)最长的20根斜拉索风雨振动的MR阻尼控制（哈工大，2003）,渤海JZ202N 平台结构磁流变阻尼控制 哈工大，2005完成,研究方向：大出力智能驱动（阻尼）器智能主动被动复合阻尼器智能传感器与驱动器一体化,6.主动控制力特征以及半主动控制系统设计方法(Ou et al,2003),6.1 Main control systems,1.Active Systems ATS or ABS System,Active control algorithms Intelligen
21、t control algorithms,Huge power(MW or more)needs for a practical structure,AMD system,Much less power needs for a practical structure,Roller,2.Smart Damping Systems MR Damper Active frictional damper,2.Semi-Active Systems AVS System AVD System,HIT,Lord Cd.,AVD,MRD,Active control algorithms Intellige
22、nt control algorithms,Semi-active algorithms,Active control algorithms is a fundamental algorithms for semi-active systems.How much active force can be realized by a semi-active system or even passive system?How much active control effectiveness can be realized by a semi-active system or even passiv
23、e system?,6.2 The Proportion of Damping Force and Elastic Force in OACF between Floors,The Damping force are predominant in OACF between Floors,Active Actuator,Damping Force Proportion Index of OACF,In general:,=1 means the OACF is completely damping force!,76-story RC building(Benchmark,Yang),20-st
24、ory frame(Benchmark,Spencer),6.3 Examples,OACFs in 20-story frame Benchmark,0.9053 in average.,OACFs in 76-story building Benchmark,0.9934 in average.,means how much control effectiveness of active control system can be achieved by a semi-active damping of smart damping system!,1 or closed to 1 mean
25、s the control effectiveness of active control system can be completely or almost achieved by a semi-active or smart damping system!,This is why a semi-active or smart damping system can almost achieves the control effectiveness of active control system，which have been verified by a lot of numerical
26、and experimental results in the world!,Roller,0.5,4.Characteristics of Active Control Force in AMD,The actuator of AMD cannot be replaced by semi-active actuator or damper such as MR damper!If so,the control effectiveness would be bad!,结构振动控制主动、半主动和智能控制欧进萍科学出版社2003,目 录绪 论第1章 动态系统及其重要特性第2章 结构振动的主动控制算
27、法第3章 结构振动的模糊控制第4章 结构振动的神经网络辨识与控制第5章 结构振动的模糊神经网络遗传优化控制第6章 结构主动质量阻尼（AMD）控制系统 第7章 结构主动变刚度控制系统第8章 结构主动变阻尼控制系统 第9章 结构磁流变阻尼控制系统第10章 结构压电驱动和压电变摩擦阻尼控制系统第11章 结构形状记忆合金（SMA）驱动和阻尼控制系统第12章 结构主动、半主动与智能控制系统设计方法附 录 结构振动控制的Benchmark模型,7.AMD with a Electromagnetic Driver A New AMD(Ou and Zhang,2003),（1）A Scale AMD wi
28、th a Electromagnetic Driver,Control Force versus Input Voltage,Maximum Control Force:2500N/5V,Control Force versus Input Voltage with various frequencies,Control Force：,LQG Controller,（2）A Controlled System with a AMD with a Electromagnetic Driver,Northridge（1994）,Some Issues and Barriers of Active,
29、Semi-active and Smart Control Systems,8.1 Comparisons of main active control algorithms,Pole Assignment Linear Optimal Control Algorithms Classical Linear Quadratic Optimal Control(LQR)Linear Quadratic Gaussian Optimal Control(LQG)Independent Modal Space Control AlgorithmsSliding Mode ControlH2 and
30、H Controllers,The control effectiveness is almost the same.But,different algorithm adapts to different problem.,8.2 Intelligent control algorithms and vibration control of nonlinear structures or uncertain structures,Fuzzy Control AlgorithmsNeural Network ControllersGenetic Algorithms(GA)for Optimiz
31、ation of Neuro-fuzzy Controllers,Intelligent algorithms adapt well to vibration of nonlinear or uncertain structures,8.3 Comments on active,semi-active and smart control systems,76-story RC building(Benchmark,Yang),AMD:Mass:30tMax control force:20tABS or MR damper:18 actuator 1 actuator every 4 floo
32、rs Max control force:60t/each,in averageThe control effectiveness is almost the same,AMD,ABS,1.Active Systems ATS or ABS AMD Best,2.Semi-Active Systems AVS System AVD System Best,3.Smart Damping Systems MR Damper Best Active frictional damper SMA,II.结构健康监测系统,二十世纪，结构分析、计算和设计已经形成相对完整的理论和方法。一大批大型土木工程结构
33、的设计、建造和运行使用，标志着结构设计理论和建造技术的巨大成就。,金茂大厦(420.5m),台北101(508m),上海环球金融中心（101层/492m),西尔斯大厦(443m),深圳地王大厦(325m),世贸中心(417m),佩重纳斯大厦(454m),中环广场大厦(374m),英国千年穹顶（320m),日本福冈穹顶(222m),广州新机场,上海八万人体育场(280277m),加拿大蒙特利尔体育场,美国亚特兰大体育馆(佐治亚穹顶),苏通大桥(1088m),日本明石海峡大桥(1999m),杭州湾大桥(36km，世界最长桥),南京三桥(648m),xxx大伯尔特桥（1624m),江阴长江大桥（1385m）,三峡大坝 库区600km长、393亿m3库容量；100年防洪能力，世界巨型水库,小浪底水库,渤海BZ-12,渤海8号平台,渤海JZ20-2MUQ,南海平台,中国已建成使用的钢质平台结构近15
