建筑结构参数实时修正的改进方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种实时修改振动结构的建筑结构参数的方法，它包括以下步骤：分析结构的物理参数；将结构中的功能开关安装在根据分析确定选定位置上，每个功能开关具有“开启”或者“关闭”状态；测量在外部能量作用下结构的一个或多个速度、加速度或者位移的数值；以及提供控制装置来实时控制功能开关以响应测量得到的数值，受控的功能开关在状态之间切换以使结构的守恒能量最小，从而控制结构的位移。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及在受到诸如地震或风等外力作用下控制建筑结构位移(或振动)的方法及其装置，该装置采用新型阻尼/耦合设备并安装在建筑结构上；本专利技术特别涉及一种利用新设备来调整建筑结构动态参数(质量、阻尼、刚度系数)的方法及其装置，新设备采用一种按照由新近提出的控制法则的安装方式进行安装。
技术介绍
众所周知，当受到足够强的外力作用时，例如飓风或者中度到重度震级的地震，建筑结构可能会倒塌。为了改进建筑结构抗击上述外力使其免遭破坏或倒塌的能力，已经提出了许多方法。这些方法包括使建筑结构固定而不偏斜或挠性，将建筑结构安置于地表从而使其能够相对于地表面运动以及将建筑结构与一定质量物体耦合在一起或解耦合以改变其共振频率等。在Kobori专利技术的美国专利5036633中示出了这样一个例子，其中一个装置被揭示用来控制建筑结构在地震振动和/或风吹等外力作用下作出的响应，控制设备包括固定于建筑结构支撑件上的可变刚度装置、设置在建筑结构与刚度变化装置之间的可变阻尼装置以及经过编程用来监视对着建筑结构冲击的外力并通过选择合适的阻尼系数可控制可变阻尼装置的计算机，合适的阻尼系数使建筑结构相对于所监视外力不出现共振。Kobori的上述和其它专利以及其他专利都基于反馈控制原理，该原理包括根据预测的地面运动来改变刚度以避免共振，根据预先设定的阻尼标准来改变阻尼系数以及通过锁定或松开设置在局部部件各端之间的设备来改变局部部件的刚度。已有技术方法强调的是确定单独的建筑结构振动抑制设备，无法对整个建筑结构系统的振动进行分析。而且，已有技术的分析总是集中在建筑结构的单个平面内，无法进行三维分析。
技术实现思路
本专利技术的主要目标是提供一种控制建筑结构以尽量减少其随时间变化的运动的方法及其装置，它通过实时修正建筑结构参数，实现了对建筑结构变形、内力、挠变、破坏性能量以及由诸如地震、风、交通事故之类多方向负荷和/或其它类型的环境负荷引起的毁坏的成本-效果控制。该控制是利用基于非线性、时变和自适应控制原理的控制设备来完成的；这种控制设备使得系统更坚固并由此更为可靠。由于这种方法实际上是通过自适应控制设备来控制建筑结构的物理参数，所以被称为功能自适应控制，而能够修正其动态特性的建筑结构就被称为自适应建筑结构。本专利技术考虑在自适应建筑结构内部改变其位移、速度和加速度系数，即刚度、阻尼和质量。此外，本专利技术还改变了某些输入驱动力的系数。例如，它可以改变与基座隔离的设备的摩擦系数以尽量减少因地面运动引起的力/能量的输入。由于新方法实际上控制的是建筑结构的物理参数，所以它通过自适应设备控制的是建筑结构的特性或功能行为。本专利技术的以下理论基于对整个建筑结构系统行为的分析，因此带革新(自适应)特点，其特征在于1)控制程序—通过改变阻尼和或质量或刚度或两者之类的建筑结构物理参数来实现系统的优化方法。2)控制机构—由功能开关使某些子结构和/或子部件耦合/解耦合。3)控制原理—利用按层次执行一系列步骤的计算机程序以将守恒能量极小化。此外，在较佳实施例中，没有传动机构将力施加到建筑结构上。因此控制是被动式的。控制机构的功能开关可以是以下状态的一种“开启”、“关闭”或“阻尼”。通过改变每个功能开关的状态，开关可以控制相关建筑结构的物理参数，例如质量、阻尼和刚度，并且功能开关还可以控制输入驱动力。当功能开关处于“开启”状态时，开关部分是彼此刚性地连接的并且开关与一重的质量连接以使建筑结构增加可观的质量。而且，当功能开关处于“开启”状态时，它可以连接建筑结构的部件以增加建筑结构的刚度，从而减少了相应的位移并由此提高了建筑结构的固有频率。当开关处于“关闭”状态时，连接被分离，因此开关的相对部分可以自由运动。当开关设定于“阻尼”状态时，相对的部分作粘滞运动并且开关还可以提高建筑结构对能量的耗散能力。当阻尼状态消除时，阻尼力可以显著减少，从而减少输入驱动力。由于功能开关只有三种输出状态，所以开关操作的控制处理相对简单。因此计算速度将显著地提高，它是主动式或者自适应控制中的关键问题。为了更好地理解本专利技术的控制理论，首先考察已有技术的主动式控制系统。对于线性机械振动系统，可以用下列方程来描述其运动f(t)＝MX″(t)＋CX′(t)＋KX(t)(1)这里f是外力，M、C和K为质量、阻尼和刚度系数矩阵，X(t)、X′(t)和X″(t)是位移、速度和加速度矢量，上标′和″表示相对于时间的一阶和二阶导数。在单自由度系统(以下称为SDOF)中，就方程式(1)而言，内力MX″所作的功可以表示为动能。阻尼力CX′所作的功可以表示为耗散能。弹性力KX所作的功可以表示为势能。这三项能量的总和等于外力f所作的功。表示如下Ec＝Ei-Ed＋Et(2)这里E表示能量，而下标c、i、d和t分别表示守恒能量、输入的能量、阻尼能量和传递的能量。(对于一个纯粹的SDOF系统，Et＝0。但是，如果将方程式(1)用于说明多自由度(以下称为MDOF)建筑结构的振动模式，则Et不是为正就是为负。)当质量、阻尼和刚度系数固定时，动能和势能都是守恒的。只有阻尼力耗散能量。如果系数M、C、K可以象在本专利技术的实时结构常数修正(以下称为RSM)设备中那样改变，则动能和势能都不是完全守恒的。因此方程式(1)可以改写为M(t)X″(t)＋C(t)X′(t)＋K(t)X(t)＝F(t) (3)将方程式(3)与(1)比较可以明显地看到，所有的参数都变成了时间的函数。一定数量的能量可以通过功能开关传递到建筑结构外部。剩余的能量仍然是恒定的。显然，为了使建筑结构的位移减至最小，应该使构成动能和势能的恒定能量部分应降低到最小程度。如果守恒能量减少到最低限度，则位移保持其最小值。这就是最小恒定能量原理的精髓。因此Ekc＋Epc＝最小值 (4)整个系统的能量方程可以写为W＝Ekc＋Ekf＋Ed＋Edf＋Epc＋Epf(5)这里字母W为外力所作的功而字母E表示能量项。下标k表示动能，d表示被阻尼力耗散的能量，p表示势能而c表示守恒能量。第二下标f表示被传递能量并随后由功能开关释放。为了使上述方程中的Epc＋Ekc最小，显然可以通过使Ekf、Ed、Edf和Epf最大而W最小来实现。因此通过增加能量传递Ekf和Epf，增加能量耗散Ed和Edf使Epc最小，还通过减少外力W所作的功使Epc最小，这借助瞬时阻抗的增加或整个建筑结构的增大来实现，并具有同样的重要性。虽然有若干SDOF系统可以适用于近似于多自由度系统(MODF)中的MDOF建筑结构，但是却使保守能量最小化的任务变得更加复杂起来。由于必须考虑结构的各种振动模式之间的能量传递，所以增加了复杂性。MODF结构模式之间的能量传递可以利用由Liang和Lee提出的复杂能量理论(“结构阻尼部分I复杂阻尼理论”，NCEER报告91-0004，1991)来确定。在复杂能量理论下，系统可以按照比例阻尼或非比例阻尼分类。比例阻尼系统是一个阻尼系数与质量和刚度成比例关系的系统，其比例关系为C＝(A)M＋(B)K(6)这里A和B是固定的系数，而M和K分别表示系统的质量和刚度矩阵。这种系统的基本特性是在振动时各种振动模式之间没有能量的传递。但是，对于非比例阻尼系统，方程式(6)不能成立的。特别是在本专利技术中，由于建筑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实时修改振动结构的结构参数的方法，其特征在于包括以下步骤：分析结构的物理参数；将结构中的功能开关安装在根据分析确定选定位置上，每个功能开关具有“开启”或者“关闭”状态；测量由在外部能量作用下引起结构一个或多个速度、加速度或者 位移的数值；以及提供控制装置来实时控制功能开关以响应测量得到的数值，受控的功能开关在状态之间切换以使结构的守恒能量最小，从而控制结构的位移。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李兆治，梁钟，童迈，
申请(专利权)人：纽约州立大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：US[美国]