日本桥梁和建筑结构监测的研究与实施综述丨Engineering(25)

三、建筑结构的监测
（一）用于验证主动和半主动控制系统的建筑物监测
在20世纪90年代和21世纪初，振动控制技术的研究与开发在日本迅速发展。作为地震和风力工程领域的一项创新技术，振动控制系统在建筑结构中的实际应用在全球引发了越来越多的关注。有研究者已经提出将各种机械设备用于建筑结构的被动、半主动和主动控制。主动和半主动控制已被应用于许多建筑结构。使用数字信息技术的振动监测为实际应用提供了支持，因为控制过程需要振动传感器才能实现反馈控制律并验证控制效果。1989年建成的协和大楼（Kyowa Building），首次将主动控制系统应用在了建筑物中。到2009年，日本已完成了约70个主动和半主动控制装置的安装工作，其中52个是主动控制装置，17个是半主动控制装置。在主动控制应用中，有51个是主动质量阻尼器（AMD）系统。
在本节中，我们描述了一个监测AMD系统性能的例子，因为这是主动控制系统在现有建筑物中最广泛的应用。通过对主动控制建筑物的记录数据进行振动分析，我们验证了控制系统的有效性。图22所示的是附加阻尼比在不同周期下对第一振动模态的依赖性，不同周期来源于在小地震、强风和强制振动测试下所记录的振动数据。注意，该图并未显示等效阻尼比，而是显示了附加阻尼比[66]，附加阻尼比的定义是受控阻尼比和非受控阻尼比之差。对于主动控制系统，我们可以在AMD系统不运行时评估不受控阻尼比。在该图中，附加阻尼比的范围为0.7%~18.2%，其平均值为7.8%。我们无法获得大约20种应用的阻尼比信息，因为这些信息不是通过阻尼比进行评估的，它们是通过其他标准进行评估的。尽管变化较大，但图22显示，附加阻尼比会随着第一自然周期的增加而减小。
由于高层建筑是具有较长自然周期和较小阻尼比的柔性结构，因此即使很小的附加阻尼也能非常有效地降低震动响应。

图22 主动控制中附加阻尼比对第一自然周期的依赖性
在2007年之前，现有的半主动控制系统从未经历过大地震和中等强度地震，这是结构设计的目标。2007年7月16日，日本新潟县中越冲地区发生了大地震，地震震动了新潟市的万代大厦（Bandaijima Building），大厦共有31层。在大厦顶层记录到的最大加速度为100 cm·s–2 。安装在大厦第五层楼上的半主动控制阻尼器的最大控制力为640 kN，最大行程为5.2 mm。控制力的最大极限值为1500 kN，行程的最大极限值为60 mm。在此之前，该建筑在2004年10月23日还经历过一次较小的地震，即2004年的日本中越-新潟（新潟县）地震。当时的半主动控制器-结构系统的响应小于2007年新潟县中越冲地区发生的大地震中半主动控制器-结构系统的响应。图23显示了安装在大厦第五层楼上的半主动阻尼器的冲程-控制力关系。