结构多维随机振动控制

土木工程结构在服役期内可能遭受地震、强风等随机荷载的作用，对其进行振动控制可以有效地减轻结构物的响应，并提高其安全性和可靠性。如今结构振动控制技术已经得到了越来越多的重视，并应用于电视塔、桥梁等重要工程结构中。随着研究的深入和实际工程的需要，一些结构振动控制关键问题急需解决，包括：1 计算模型：如何建立实际结构的多维振动模型； 2 实验技术：如何对平扭偶联的结构多维振动进行科学的实验测试； 3 实用算法：如何将先进的控制算法应用于大型结构的振动控制中；4随机激励：如何对振动控制结构进行高效的随机振动分析。.本项目首先建立结构多维振动控制的动力学方程，明确考虑真实结构的转动影响效应；应用状态空间控制理论进行控制，结合智能控制算法和有限元技术，探索大型结构的实用控制算法；应用等效激励法对结构进行随机振动分析，提出结构多维随机控制算法；应用基于视频识别的多维振动测试技术进行振动控制实验。

建筑结构在其服役期内，不可避免地经受多种环境荷载的作用，这些荷载往往具有强烈的随机性和非平稳性，例如：地震激励、海浪和强风作用等，因此研究建筑结构在这类荷载作用下的动力特性，计算其在随机荷载作用下的动力响应，并采取合理的控制措施降低结构的随机动力响应，从而提高结构的安全性和可靠性，具有非常重要的科学意义和实际工程应用价值。本项目从如下几方面开展了系统深入的探索：（1）非平稳随机激励荷载的描述与生成：利用能量等效的原理，基于非平稳随机激励荷载的频谱特性计算出荷载对应的小波系数，再应用小波逆变换的方法，提出了非平稳随机激励荷载的构造生成方法；（2）完善了随机振动分析的等效激励法：利用上述生成的非平稳随机激励荷载作为等效激励，采用传统的动力学分析方法，计算出结构的动力响应后，再分析响应的随机统计特征，就可以实现建筑结构在非平稳随机激励荷载作用下的随机振动分析。该方法不但具有计算效率高、方法简便的特点，同时还极大的拓展了随机振动分析应用的领域，可以应用于大型结构、非线性结构以及控制结构；（3）建立了建筑结构在多维随机振动激励下的动力学运动方程，并提出了相应的计算分析方法：地面地震动不但具有强烈的随机性和非平稳性，还有多维激励同时作用的特点，即平动激励的同时往往伴有转动激励，转动激励有时可能非常强烈。即便是仅有平动激励，建筑结构由于功能的需要往往因具有质量、刚度偏心，从而产生不可忽视的转动效应。我们基于运动学和动力学理论，重新推导了这类结构在多维地震动激励下（平动激励+转动激励）的动力学方程，为这类结构的分析与控制奠定了更为科学的基础。相对于现有的多维振动理论，我们考虑了科氏加速度的影响，因此能够更为真实地反映结构的动力特性。随之而来的困难是方程的非线性更强，求解更为困难，为此我们应用状态空间控制理论提出了初步的解决方案；（4）结构随机振动控制的仿真分析：基于Abaqus的二次开发平台，研发了隔震橡胶垫特性描述模块，其非线性滞回参数可以基于实验测试数据采用优化迭代的方法进行识别，将此模块嵌入到Abaqus软件中，实现了大型结构的振动控制分析。对一些典型的工程结构，应用前述的理论，进行了仿真分析；（5） 完善了建筑结构多维振动测试系统，进行了建筑结构多维振动实验，表明建筑结构多维振动时，转动效应不容忽略，并且传统的测试技术无法给出精确的测试数据。