基于可调摩擦摆支座的智能隔震体系研究

The existing base isolation technologies belong to the passive structural control, which is a kind of narrowband control and can not tune its characteristics online to adapt to the seismic spectral characteristics and the structural response, thus its control performance is rather limited. New structure vibration control technologies, including active control, semi-active control and intelligent control are important directions for fucture development of structural engineering. They belong to the broadband control and have strong designability and adaptability. A new intelligent base isolation sysytem is proposed, intending developing an adjustable friction pendulum bearing as the main control device. Through taking the advantages of base isolation, energy dissipation and new structure vibration control technologies, the base isolation sysytem can tune the friction force online and realize adjustable energy dissipation through an effective control algorithm to optimize the seismic reponse of controlled structure. The optimization and design methodology will be developed based on the theoretical analysis, numerical simulation and physical test, promoting the application of new structure vibration control technologies in building structures.

现有的基础隔震技术属于结构被动控制的领域，是一种窄带控制，它不能依据地震动输入的频谱特性和结构自身的响应来实时调整自身的动力特性，控制效果有一定局限性。以主动控制、半主动控制和智能控制技术为代表的新型结构振动控制技术是未来结构工程发展的重要方向，属于宽带控制，具有可设计性强，适用范围广等优点。本项目提出了一种新型智能隔震体系，该体系以一种新型摩擦力可调型摩擦摆隔震支座作为主要力学构件，综合了隔震结构、减震结构、新型结构振动控制技术的优点，使得摩擦力能够连续可调，实现可调节耗能，通过高效的控制算法，优化结构的地震响应。本项目拟通过理论分析、数值模拟和物理试验，研究该智能隔震体系的优化设计方法，推动新型结构振动控制技术在建筑结构中的应用。

现有的基础隔震技术属于结构被动控制的领域，是一种窄带控制，它不能依据地震动输入的频谱特性和结构自身的响应来实时调整自身的动力特性，控制效果有局限性。以主动控制、半主动控制和智能控制技术为代表的新型结构振动控制技术是未来结构工程发展的重要方向，属于宽带控制，具有可设计性强，适用范围广等优点。本项目的主要研究内容为基于可调摩擦摆支座的新型智能隔震体系，该体系以一种新型摩擦力可调型摩擦摆隔震支座作为主要力学构件，综合了隔震结构、减震结构、新型结构振动控制技术的优点，使得摩擦力能够连续可调，实现可调节耗能，通过高效的控制算法，优化结构的地震响应。重要结果及关键数据如下：（1）提出了一种新型半主动式摩擦力可调型摩擦摆隔震支座(Tunable Friction Pendulum System-TFPS)，综合传统摩擦摆的隔震能力、摩擦阻尼耗能、主动控制技术连续可调性的优点，使得水平摩擦力能够连续可调，进行了理论分析。（2）基于新型摩擦力可调型摩擦摆隔震支座的设计概念，对于单摆形式，设计并制作了一个小型TFPS试件进行试验研究，采用不同的位移幅值和油压等级，验证了TFPS支座的可调性和理论模型的正确性，摩擦力调节幅度达100%。（3）基于所提出的摩擦力可调型摩擦摆隔震支座(TFPS)，建立了基于TFPS的半主动控制隔震系统，采用了几种常见的控制策略，进行了算例分析；结果表明所提出的TFPS支座可有效用于地震作用下的隔震结构控制，符合多目标抗震的需求。（4）针对被控结构可能存在的参数不确定性问题，提出了一种新型最优化的模型参考自适应控制(Optimum Model Reference Adaptive Control-OMRAC)算法，进行了推导证明，提出了相应的设计方法，考虑隔震层中的参数不确定性进行了数值仿真，证明了OMRAC算法的有效性和稳定性。（5）针对隔震层含时变非线性扰动的隔震结构，提出了一种新型非线性鲁棒最优控制(Robust Optimum Control-ROC)算法，进行了推导证明，以及参数分析，提出了相应的设计方法。考虑隔震层中的时变非线性进行了数值仿真，证明了该算法对于非线性扰动问题的可用性和有效性。本研究的科学意义在于提出了一种新型半主动式隔震支座及智能隔震体系，并提出了相应的新型控制算法和设计方法，为后续隔震建筑和韧性城市的相关研究和推广奠定了基础。