基于土-结构相互作用下不规则建筑振动控制的进展分析

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摘要：在国际上大多的被动、主动或者半主动控制是基于结构的动力特性而设计的。但是，对于建造在软弱地基上的结构，土－结构相互作用简称SSI，效应就显得强烈了，导致了土－结构相互作用的体系动力特性发生了改变，而这种改变在一定的程度上影响到结构振动控制效果。所以，在结构的振动控制设计工作中，需要进行定量地考虑SSI影响。本文通过考虑SSI效应来研究结构的被动控制和主动控制以及半主动控制的进展。然后广泛评述了在考虑SSI效应下研究不规则的建筑在振动控制上的新进展。最后建议考虑SSI效应来研究一些不规则的建筑半主动控制的探讨。可以指出基于考虑SSI弹性以及弹塑性不规则建筑基于支持向量机半主动控制的研究前景。

关键词：土－结构相互作用；振动控制；被动控制；主动控制； 半主动控制； 不规则建筑； 软土； 地震； 支持向量机

Abstract:In most of the international, active or passive semi-active control is based on the structure of the dynamic properties and of the design. But, to build the structure in the soft foundation, soil-structure interaction "SSI, effect is strong, led to the soil-structure of the interaction of the dynamic characteristics of the system are changed, and the change in a certain extent influence to structural vibration control effect. So, in structure vibration control design work, need to consider SSI quantitative influence. This paper consider SSI effect to study the structure of the passive control and active control and semi-active control progress. And then are widely considered SSI effect in the study irregular building in the vibration control of the new progress. It is suggested that consider SSI effect to study some irregular building the semi-active control study. Can point out based on elastic and consider SSI elastic-plastic irregular building based on support vector machine (SVM) the research prospect of semi-active control.

Keywords: soil-structure interaction; Vibration control; Passive control; Active control; The semi-active control; Irregular building construction; Soft soil; The earthquake; Support vector machine

中图分类号：TU3文献标识码：A 文章编号：

土－结构相互作用简称SSI，是影响结构对地震的响应和损伤的一种重要原因。SSI通过减小结构的自振频率，过滤掉高频地震的激励成份，还能增大结构阻尼，这些都对结构造成很大影响[1]。SSI对结构的影响有害或有利取决于地震时地面剧烈运动的频率。当结构的基频越接近于地震时地面运动卓越频率，SSI就是有害的。如果高层建筑建造于软土之上，就需要考虑SSI，要计算结构地震作用和位移，因为结构频率平方与这两个量值成比例关系[2]。结构越来越多的建造在土层的场地上，地震发生，土层的瞬时响应会对其上的结构地震响应产生影响。所以，在结构地震的响应分析中要充分考虑到SSI的因素。最近几年，国内外学者针对SSI的问题取得了丰硕成果。但是其复杂性，导致SSI问题研究基本上只是基于理论分析或者数值模拟建立起来的。同时，建造在软弱的地基结构，SSI会比较强烈，这在一定的程度上影响结构振动控制效果。因为大多数被动或者主动控制是基于结构振动的特性来设计的，可是土的存在，又使SSI体系振动特性产生改变。所以，在SSI明显时，控制设计要考虑到SSI影响。

1.基于考虑SSI的结构控制进展

1.1基于SSI结构被动控制进展

在考虑SSI对结构被动控制影响的研究方面，大多数基于SSI对质量阻尼器的性能影响的考虑。考虑不同的剪切波速，通过数值评价了TMD对于建造在软地基结构的减震效果。结果分析证明，土质越软，TMD的减震效果就会越低。有的研究中，基于SSI对结构在动力特性上的变化；把上部的结构简化成一线性单自由度（SDOF）。把TMD调谐到SDOF结构的系统频率上。通过建立一个“土－SDOF结构－TMD”相互作用系统的传递函数，在一定的频域内，用数值分析了SSI对TMD减震效果的影响。模拟数值表明，相对于对刚性地基的假设，地基变软，有很大的变化发生在SSI系统的动力特性上。如果不考虑SSI来设计TMD，可能会放大结构的地震响应。所以，保证TMD正常工作，需要把TMD调谐到SSI的系统频率，但是实际所能达到的控制水平还取决结构周期以及地基的软弱程度。关于SSI系统的TLCD减震行为。文献资料数值模拟表明，对于地基属于中软土时， TLCD的控制性能受SSI影响不明显；很软地基土，SSI就会很大程度的减小TLCD有效性。上述引述文献研究基本是基于土-结构线对SSI影响TMD和TLCD性能的评价。然而，研究发现，使用土的非线性模型，能合理的对TMD和TLCD的有效性进行评价。

1.2基于SSI结构主动控制进展

对于考虑SSI结构的主动控制方面，有两种方法来评价SSI对结构主动控制的影响。第一是基于刚性地基的假定设计控制器，用来评价受控结构地震响应；第二是考虑把SSI并进控制算法里，因为控制算法在商业的计算机软件里都可以获得，所以在模拟数值的研究领域，第一种方法相比较第二种方法要容易很多。第一种方法所显示出来的控制有效性，可以让设计者直观地调整控制器到需要的性能上，或是决定是否考虑SSI加入主动控制算法。

第一种方法，分别取SSI系统基频处土阻抗函数项来表示土阻抗函数的刚度以及阻尼系数，组装成的矩阵则是由SSI系统整体质量、刚度和阻尼组成。状态变量为上部结构以及基础的整移与速度，这样可以得到一个关于SSI体系的状态方程。第一种方法是一种数值模拟研究，还要在时域内进行控制。研究SSI结构的主动控制表明，软弱地基的结构实施主动控制考虑SSI很有必要。模拟数值表明，基于刚性的地基假定结构控制的设计仅仅适用在有限的剪切波速范围内的土；软弱地基，结构的主动控制系统性能会变差，要考虑到SSI的影响。