【正文】 結(jié)構(gòu)控制：過去，現(xiàn)在和未來作者是G. W. Housner: ASCE成員, L. A. Bergman, ASCE成員, T. K. Caughey,A. G. Chassiakos, ASCE成員, R. O. Claus, S. F. Masri, ASCE成員,R. E. Skelton,39。 ASCE成員, T. T. Soong,S Member, ASCE,B. F. Spencer,9 Member, ASCE, and J. T. P. Yao,lO Member, ASCE摘要：本調(diào)查論文主要包括：（1）研究人員和從業(yè)人員提供了一個簡潔的出發(fā)點都希望土木工程的控制和監(jiān)測，以評估目前最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)。及（2）指出兩者之間的鏈接結(jié)構(gòu)的控制和控制理論等領(lǐng)域的異同，并指出未來的研究和應(yīng)用工作有可能證明取得豐碩成果。本文由以下幾個部分組成：第1節(jié)是介紹。第2節(jié)是被動能源消耗。第3節(jié)主動控制尺寸。第4節(jié)混合動力和半主動控制系統(tǒng)。第5節(jié)討論了傳感器的結(jié)構(gòu)控制。第6節(jié)智能材料系統(tǒng)。第7節(jié)健康監(jiān)測和損傷檢測。第8條研究的需要。大量引用的文獻(xiàn)資料在下面列出。 1 引言由地震或風(fēng)產(chǎn)生的振動可以通過各種手段控制，如改變硬度，質(zhì)量，阻尼，或形狀，并提供被動或主動的反作用力。迄今為止，一些結(jié)構(gòu)控制的方法已被成功地使用，新提出的方法提供了應(yīng)用程序進(jìn)行擴(kuò)展和提高效率的可能性。在鑒于此，它似乎是一個適當(dāng)?shù)臅r間對于美國結(jié)構(gòu)振動控制研究小組準(zhǔn)備簡要概述這一領(lǐng)域，通過實驗已經(jīng)有多篇論文上有發(fā)表的理論和實踐。盡管民用結(jié)構(gòu)控制工程方面的努力才剛開始，但已經(jīng)發(fā)表的論文的數(shù)量是如此之多已經(jīng)超出審閱的能力要在有限的時間審查所有在美國，亞洲和歐洲的有關(guān)的文獻(xiàn)。作為第一個步驟，一份代表作家的意見，并提供對未來研究的建議的報告正在準(zhǔn)備，但不會嘗試面面俱到在這個領(lǐng)域。該報告提供把注意力集中在重要方面的問題，可以作為指導(dǎo)文獻(xiàn)，也可以作為對未來的研究的一塊墊腳石?，F(xiàn)在確定的是結(jié)構(gòu)控制是設(shè)計新結(jié)構(gòu)和改造地震與風(fēng)的結(jié)構(gòu)的重要組成部分。因此，公布這個調(diào)查報告中的結(jié)構(gòu)控制的研究和應(yīng)用是可行的，指明對未來研究的現(xiàn)在方向。在美國，土木工程結(jié)構(gòu)控制領(lǐng)域的演變是迅猛的，在過去的幾幾十年里吸引了眾多研究者注意和興趣。雖然其根源主要是航空航天問題跟蹤和指向，靈活的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)迅速轉(zhuǎn)移到民用工程。與基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的問題，如保護(hù)建筑物和橋梁在地震和風(fēng)作用下的極端載荷。由于姚在1972年最初的概念研究，這個領(lǐng)域不斷走向成熟，最終1994年8月份在洛杉磯舉行了第一屆世界結(jié)構(gòu)振動控制會議。這吸引了來自15個國家337名參與者，包括225篇涵蓋各個方面的結(jié)構(gòu)控制的技術(shù)論文。作為一個管理機(jī)構(gòu)和未來的會議和研討會所的贊助者，國際結(jié)構(gòu)控制協(xié)會（IASC）于1994年成立，1995年ASCE成為自動控制委員會（AACC）的一員。加入像IEEE，AIAA，AICHE，和ASME這樣的擁有悠久的參與控制工程的歷史的類似組織。在日本，結(jié)構(gòu)控制獲得一系列發(fā)展并且目前超過20個完整的大型建筑應(yīng)用了主動控制系統(tǒng)，主要是為了在強(qiáng)風(fēng)期間提高乘員舒適度，有關(guān)工作也有在歐洲和俄羅斯展開。在美國和其他地方，被動基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)在低層和中高層建筑抗震設(shè)防已經(jīng)成為一種公認(rèn)的設(shè)計方案。類似一般控制文獻(xiàn)，治理結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)往往代表不同的利益和觀點，但都有一個共同的目標(biāo)：保護(hù)它們的城市和人民。最近的在1994年，加利福尼亞州的北嶺破壞性地震事件和在1995年在日本神戶證明了在設(shè)計新的結(jié)構(gòu)時減輕這些危險重要性。此外，應(yīng)抗震設(shè)計規(guī)范要求的改變，因為一個破壞性地震，或許應(yīng)該歸功于最近洛杉磯市中心附近下面發(fā)現(xiàn)的一個活躍故障證明了分析和結(jié)構(gòu)抗震性能的升級是必要的。單獨的強(qiáng)度設(shè)計并不一定保證該建筑物維持對居住者的舒適性和安全性的動態(tài)響應(yīng)。在1989年的Loma Prieta地震中，在舊金山的一幢高47層的建筑物經(jīng)歷了在地下室lO％g和頂層45％g的峰值加速度。表明了有害的加速度可以造成很大的地面加速度。類似的這種結(jié)構(gòu)變動的事例同樣發(fā)生在最近的北嶺和神戶地震。事實上，這種要求在強(qiáng)度和安全上是相互沖突的。因此增加機(jī)構(gòu)的備用抵抗力的同時保持裝置理想的動態(tài)特性，基于使用各種主動，半主動，被動和混合控制方案，提供了保障。目前的結(jié)構(gòu)控制概念其歷史可以追溯到100年以前的約翰米爾恩，在日本的一位教授級高級工程師，他建立了一個小木屋里并將其放置在球軸承來證明結(jié)構(gòu)可以避免地震晃動的影響。線性系統(tǒng)的理論及其應(yīng)用到振動領(lǐng)域，并應(yīng)用到特定的結(jié)構(gòu)動力學(xué)，要比二十世紀(jì)的前半葉需要更多的發(fā)展。許多這方面的發(fā)展的起源于用于汽車和飛機(jī)的內(nèi)燃機(jī)，本身達(dá)到非常高的動力水平。在第二次世界戰(zhàn)爭中，如隔振，減振，減振等概念得到了開發(fā)并且有效地應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)。工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域第一次接受了這一技術(shù)是在20世紀(jì)60年代，從那時起，已經(jīng)采取了若干不同的方案，一個例子是低層的基礎(chǔ)隔震和中高層結(jié)構(gòu)和橋梁。目的是較為靈活的安裝在的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，依據(jù)高頻率的地面運動和延長至約2秒的振動的固有周期。但是，在地震譜上在2s周期附近明顯的能量反應(yīng)證明這是不理想的。另一種方法是基礎(chǔ)隔震，其軟化的固有周期是3s或4 s，但是這將導(dǎo)致大幅度的運動，那將是令人滿意的。另外，在最近的地震速度大脈沖已被記錄在該近斷層區(qū)域，這也可能使普通基礎(chǔ)隔震不切實際的。某些結(jié)構(gòu)，因為它們的形狀，例如修長的高層建筑，可能不適合用基礎(chǔ)隔震。隔離器，其作用是過濾掉地面運動中的更高的頻率。已被用在醫(yī)院的設(shè)施中用來保護(hù)脆弱的計算機(jī)設(shè)施。這項技術(shù)已欣然接受并應(yīng)用在美國的幾十個新的或正在改裝的隔震結(jié)構(gòu)中。對于柔性結(jié)構(gòu)例如高層建筑來說，特別是那些易受強(qiáng)風(fēng)吹襲的，輔助阻尼器成功的發(fā)揮了作用。減震裝置，無論是粘性的，粘彈性、或塑料的，整個結(jié)構(gòu)被部署在結(jié)構(gòu)中提供了一個顯著的增加能量耗散和減少震動的作用。目前建筑中采用輔助阻尼器的包括在紐約市的世界貿(mào)易中心大廈和在西雅圖和加州的幾棟建筑。 另一種被動的方法是被應(yīng)用到更高的建筑上以減少風(fēng)引起的振動的是調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）。這個裝置是一個經(jīng)典的動力吸振器，組成的輔助的質(zhì)量占總的結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1％，設(shè)置于建筑物的頂部，并通過一個無源的彈簧與阻尼器連接。輔助系統(tǒng)被調(diào)諧，以減少建筑運動的振幅。雖然這是一種特別有效的方法去固定窄帶運動，但是它并不適用于瞬態(tài)效應(yīng)占主導(dǎo)地位的運動，如激烈的地震。然而，設(shè)計者已經(jīng)掌握了幾個參數(shù)，包括質(zhì)量比和吸收器的阻尼比，應(yīng)該與裝置的頻率和衰減能力是有關(guān)的。自從20世紀(jì)70年代TMDs已在美國得到應(yīng)用，這樣的例子你可以在波士頓的約翰漢考克大廈和在紐約的花旗集團(tuán)大廈得到證明。正如在前言中提到的第一屆結(jié)構(gòu)控制世界大會上指出的，結(jié)構(gòu)控制具有鮮明的特點并且給這個領(lǐng)域的研究指明了方向。這些功能是卓越的。首先，土木工程結(jié)構(gòu)錨固的，因此是處于靜態(tài)穩(wěn)定的。在部署時單純的提高主動控制增大了它的不穩(wěn)定的可能性，相反，空間結(jié)構(gòu)需要主動控制的穩(wěn)定性。此外， 眾所周知，土木結(jié)構(gòu)所受到環(huán)境的干擾，例如風(fēng)和地震，是非常不確定的，取決于它們的大小和到達(dá)的時間這個特點，而機(jī)械載荷的要求是有據(jù)可查的。此外，土木工程結(jié)構(gòu)通常的性能要求通常是比較粗略的相比飛機(jī)和航天器對結(jié)構(gòu)的性能要求。它們的性能要求通常只有比較細(xì)微的不同。那些已經(jīng)使用在已建成的建筑物及橋梁上的結(jié)構(gòu)控制表明，這是一個寶貴的工程工具。并且，此外，可能的組合方法和更復(fù)雜的方法，在長時間的使用過程中已經(jīng)得到了充分的保障。事實上，在土木工程結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域，現(xiàn)在似乎發(fā)展成一種特別的科目涵蓋了大體積和大規(guī)模結(jié)構(gòu)的振動問題，涉及到通過多種方法給結(jié)構(gòu)施加反作用力來改變它的振動特性進(jìn)而控制其運動。在目前的發(fā)展階段這種方法比較理想的總結(jié)了這個技術(shù)領(lǐng)域的狀態(tài)，并指出了未來研究發(fā)展方向。 美國國家結(jié)構(gòu)振動控制研討會于1990年在由美國國家委員會的資助的美國國家科學(xué)基金會（NSF）的主持下在美國南加州大學(xué)召開，吸引了近100位參與著，其中包括來自加拿大 中國，德國，意大利，日本，墨西哥和西班牙的幾位代表。 STRUCTURAL CONTROL: PAST, PRESENT, AND FUTUREBy G. W. Housner: Member, ASCE, L. A. Bergman,z Member, ASCE, T. K. Caughey,3A. G. Chassiakos,4 Member, ASCE, R. O. Claus,s S. F. Masri,6 Member, ASCE,R. E. Skelton,39。 Member, ASCE, T. T. Soong,S Member, ASCE,B. F. Spencer,9 Member, ASCE, and J. T. P. Yao,lO Member, ASCEABSTRACT: This tutoriaVsurvey paper: (1) provides a concise point of departure for researchers and practitionersalike wishing to assess the current state of the art in the control and monitoring of civil engineeringstructures。 and (2) provides a link between structural control and other fields of control theory, pointing out bothdifferences and similarities, and points out where future research and application efforts are likely to provefruitful. The paper consists of the following sections: section 1 is an introduction。 section 2 deals with passiveenergy dissipation。 section 3 deals with active control。 section 4 deals with hybrid and semiactive controlsystems。 section 5 discusses sensors for structural control。 section 6 deals with smart material systems。 section7 deals with health monitoring and damage detection。 and section 8 deals with research needs. An extensive listof references is provided in the references section.1 INTRODUCTION BackgroundThe control of structural vibrations produced by earthquakeor wind can be done by various means such as modifyingrigidities, masses, damping, or shape, and by providing passiveor active counter forces. To date, some methods of structuralcontrol have been used successfully and newly proposed methodsoffer the possibility of extending applications and improvingefficiency. In view of this, it seems an appropriate timefor the . Panel on Structural Control Research to preparea summary overview of the field, as many papers have beenpublished on the theory and practice as well as on experimentand performance. Although work on structural control in civilengineering is relatively recent, the number of papers publishedis so large that it is beyond the capability of the panelto review all relevant literature in the United States, and inAsia and Europe in a limited time. As a first step, a report wasprepared that represents the views of the writers and providesremendations for future research, but does not attempt tocover everything published in the field. Such a report servesto focus attention on important aspects of the subject, can bea guide to the literature, and can also serve as a stepping stonefor future reports. It is now established that structural control