建筑结构隔震与减震控制施工技术

建筑结构隔震与减震控制关键技术1．概况建筑结构减振防灾关键技术是利用控制理论的基本思想，通过在建筑结构上附加隔减震装置，通过对地震、强风等动力作用的抑制和利用，实现提高建筑结构综合防灾能力，保障人民生命和财产安全，减轻和避免地震等自然灾害对建筑结构损伤作用的目的。本项目根据国内建筑结构的特点和我国处于高烈度地震多发区的客观情况，以先进实用的隔震与减振装置开发为重点，立足于工程应用和产学研联合，经过多年的研究开发与技术攻关，开发了系列的具有自主知识产权的新型的隔震与减振装置，对这些装置进行了系统的理论和实验研究工作，提出了若干分析计算算法，并在具体工程中得到试点应用。形成了从设计和验算方法、配套装置到施工方法的完整系统的科技成果。在减隔震体系分析设计理论和算法方面，形成了建筑结构地震反应机理与评价、减隔振系统模型与分析计算方法、主动智能半主动控制算法三部分共十项理论成果，对于抗震设计具有一定的指导意义和参考价值；在新型减隔震控制装置方面，根据使用对象和控制目标研制了包括新型隔震控制装置、新型耗能减振控制装置、智能型和其他控制装置三类十种装置；在减隔震技术的产业化与技术标准化方面，通过积极的工程推广应用，不仅发现和解决了理论上和试验条件下难以显现的工程技术问题，并且积累了加工和施工经验，培育和锻炼了相关设计、生产和施工队伍，为我国隔震和减振技术的普及打下了基础。２.科技成果内容本项目在国家计委重点科技项目（攻关）计划专题（编号*****）、国家自然科学基金项目（编号*****）、****筑总公司科技研究开发计划等科研课题的支持下，通过***建设集团有限公司、*****集团有限公司等科研院校和企事业单位近30名科研人员历时10余年的不懈努力和联合攻关，对建筑结构地震和风致振动控制的基本理论和方法进行了研究，发展和完善了建筑结构减隔震（振）控制的理论体系和相应的实用设计方法，研制了多种性能优异的具有自主知识产权的新型减隔震控制装置，研制了多种性能优异的具有自主知识产权的新型减隔震控制装置，形成了从设计和验算方法、配套装置到施工方法的完整系统的科技成果，部分已应用于北京****（****办公楼）等近20余项实际工程，推动了结构减振控制在我国的推广应用进程。２.１减隔震体系分析设计理论和算法充分考察建筑结构在地震作用下的反应机理和隔震与减振装置的力学模型是有效实施隔震与减振控制的基本前提。本项目立足国内外研究前沿，对建筑结构抗震、隔震和减振理论和算法开展了全面的研究工作，不仅针对被动控制体系提出了相应的设计计算方法，对主动/半主动控制体系的智能控制策略也开展了大量的研究工作，形成了建筑结构地震反应机理与评价、减隔振系统模型与分析计算方法、主动智能半主动控制算法三部分内容，研究成果对于抗震设计具有一定的指导意义和参考价值。２.１.１建筑结构地震反应机理与评价（１）在不同服役期内结构抗震设防水准的简化计算方法我国现行建筑抗震设计规范以50年为设计的基准期，要求结构在此期间满足具备正常的服役性能。显然这种标准服役期是针对大多数普通建筑物而言的，不同的建筑物所要求的服役期长短可能会有所不同。关于抗震设防烈度和对应的地震重现期（与超越概率对应）的规定以“中震”(基本烈度地震)烈度为基础来确定“小震”和“大震”对应的烈度，“小震”和“大震”的概率含义实际是平均意义上的一种人为的约定，对于给定的地区或场地，如果明确规定“小震”和“大震”的重现期分别为50年和1975年，相应的烈度就不能保持比“中震”减小1.55度和“大震”增加1.00度，反之，如果“小震”和“大震”明确为比“中震”减小1.55度和增加1.00度，相应的重现期就不能保持为50年和1975年，这是抗震设计规范中设防水准概率含义中存在的不明确的一方面。目前抗震设防标准中的“三水准二阶段”设计，名义上以“小震”时的抗震强度验算为主要对象，由于其概率水准并不是“小震”时的实际值，而是发生基本烈度地震的概率水准，因此是在一定延性要求之下对基本烈度地震的验算。工程界迫切希望有一个简单的抗震设防水准估计方法，以便了解设防烈度随服役期的变化规律，因此本项目假定“小震”和“大震”的概率定义是确定的，与“中震”相比其烈度差异在平均意义上分别为-1.55和+1.00度(对9度区为+0.50度)。基于“小震”和“大震”间的近似比例关系，通过二次项插值得到了不同概率水准(重现期)的设防烈度和抗震设计地震动参数的实用计算公式。所提出的对不同服役期内设防烈度的估计方法，可用于重大工程的方案和初步设计和一般工程的抗震设计。（２）基于反应谱的复振型叠加方法大量工程实践表明，尽管依据现行抗震规范设计的建筑物在地震作用下可以有效避免人员伤亡和控制结构的破坏程度，然而由于性能下降和维修耗资所造成的经济损失却往往很大。正因如此，基于性能的抗震设计理论日益受到重视。基于性能的抗震设计的基本目标是要全面考虑地震可能造成的各种危害，有针对性地采取防范措施，与传统的抗震设计相比，主要体现了精细化、数量化和多样化（性能目标和设计标准）的特点，将以经验为基础的设计上升到理性和定量的设计。本成果结合消能减振系统发展了抗震性能设计方法，提出了基于复振型结构地震反应解耦技术，发展了大阻尼系统的地震反应振型分解理论。研究了一般非正交阻尼结构在地震地面运动影响下的动力反应分析方法，此方法将复振型地震响应叠加解中关于余弦函数的杜哈美积分表示为该相应模态地震位移和速度响应的线性组合。本项目研究中提出的基于反应谱的复振型叠加法（建立于复振型分解理论的基础上）对于按照抗震规范设有消能阻尼器的减震系统如何有效进行地震反应分析具有重要的理论意义和实用价值。为了计算的方便，通常假定实际工程结构的阻尼特性为系统质量和刚度矩阵的线性组合，即所谓的瑞利阻尼，从而可以使问题按经典无阻尼振型解耦。实践表明，比例阻尼的假定对阻尼较小、质量和刚度分布比较均匀的建筑物是可以接受的，此时，系统动力学问题可以近似按经典振型解耦，进而求解体系反应。然而当动力系统的上述特性分布很不均匀时，比例阻尼结构假定会给系统动力反应分析带来显著的误差。随着阻尼器的广泛应用，结构的阻尼可以比较大，并能按照设计要求设置。这已成为改善结构抗震性能的重要手段。在这种情况下非比例阻尼问题也可以看成是抗震性能设计的一个组成部分。另外，对于非比例阻尼体系，用经典振型分解，使各振型广义坐标硬性解耦，然而可能即使考虑了所截取振型广义坐标间的相关，有时也会产生较大的误差。因此采用理论上严谨的复振型（非经典振型）分解法来计算或分析非比例阻尼系统的反应是很有必要的。本成果将二阶微分方程降阶化为一阶微分方程，然后解耦求解各个复模态，最终将一般有阻尼体系的地震反应按照复振型分解法看作N个单自由度体系对同样基底运动下反应之和，所不同的是在这种情况下每个单自由度体系的反应都是由位移和速度两部分组成。为了将非比例阻尼系统地震反应复振型叠加的一般公式能应用于根据给定的反应谱（包括规范谱）计算最大反应，与经典的无阻尼振型分解方法一样，需要解决各振型的随机耦合问题。对于非比例阻尼系统，由于各振型的地震反应不仅与对应质点系的位移反应有关，而且还与速度反应在振型组合方面将面临更大的困难。应用反应谱振型叠加方法在一般情况下仍有可能获得地震反应最大值的较精确结果，在一定保证概率之下提出了两种近似分析方法。理论分析及算例比较表明，所提出的反应谱叠加方法可以直接应用于设置阻尼器的复杂结构的地震反应，具有较好的计算精度，实用性强，适合在结构性能设计中实际应用。（３）静力弹塑性分析方法的改进为了更好地满足高层建筑结构抗震设计对计算方法的特殊要求,本项目提出了一种基于Push-Over方法改进的结构弹塑性静力与动力分析方法。将循环往复加载过程近似看成是一次地震作用过程，建立了循环往复侧推的多振型高层建筑结构静力弹塑性分析方法。以循环往复侧推的各阶振型等效恢复力模型为基础，发展了能考虑高阶振型影响的高层建筑结构顶层位移计算方法。该方法克服了常规Pushover分析方法的局限性，为推广应用Pushover方法进行高层建筑结构抗震性能评估提供了依据。（４）结构动力精细积分方法的改进本成果基于将精细积分方法的基本原理与高斯积分方法结合起来，建立了新的精细积分格式。新的积分格式只需进行指数矩阵运算，避免了矩阵求逆问题，无须对非齐次项进行数学拟合，整个积分格式的计算精度取决于高斯积分点的数量。通过算例对比表明，该算法具有效率高和精度高的优点，丰富了结构动力反应计算的数值计算手段。２.１.２减隔振系统模型与分析计算方法（１）隔振系统分析设计方法建立了基于SIMULINK与STATEFLOW的基础滑移隔震仿真分析方法；研究了基础滑移隔震体系地震反应谱的一般特征，并对反应谱进行了统计分析,验证了该体系采用反应谱分析的可行性与可靠性。进行了滑移隔震模型结构反应仿真计算，研究了该体系极值反应的统计特征和最优概率模型；给出了双自由度模型分析参数R的计算公式及其分析精度，并给出了一个优化的R的建议值。提出了隔震建筑结构基本体系的概念及分解方法；研究了地震反应与双线性隔震体系基本参数的关系谱图；研究了双线性和库仑摩擦隔震体系地震反应中的动力相似关系,滑移隔震体系虽然不符合叠加原理,但通过其中的动力相似关系,任何输入幅值下滑移隔震结构的任何反应都可由某一固定输入幅值下隔震结构相应反应经修正得到,理论上这种修正不含任何误差，使滑移隔震结构体系非线性反应谱得到极大简化。研究了并联基础隔震体系中最大摩擦力与弹性恢复力关于摩擦系数和体系隔震周期的关系；并联基础隔震体系在各固定烈度和特点场地条件下，体系反应的概率分布特征；并联基础隔震体系的隔震效率对最大摩擦力与弹性恢复力比的敏感性分析；通过对并联基础隔震体系进行系统的理论研究，建立了房屋并联基础隔震体系的反应谱理论和设计方法，并验证了该体系的可行性与可靠性，为该体系的工程应用奠定理论基础。给出了并联基础隔震体系的简化力学模型,研究典型并联基础隔震结构隔震层参数对隔震体系各反应指标的影响特点,探讨了并联基础隔震体系隔震层参数的合理选择问题。在一定限度内,增加隔震层刚度几乎不会改变上部结构的最大层间剪力,不会改变结构地震反应的频谱特性,但对于隔震层最大滑移位移和残留位移却有非常显著的限制作用。（２）风致振动控制的等效阻尼比统一公式和计算方法将顺风向脉动风和横风向涡激干扰等效为高斯平稳随机过程，从时域和频域两个方面建立了高耸结构随机风振控制的基本理论。在时域上，提出了考虑风速或风力在时间和空间上相关性的人造脉动风力和涡激干扰样本产生的三角级数模型。建立了基于现代控制理论的结构风振响应主动控制的实时最优控制算法，并对结构风振被动控制建立了基于步步积分法的规划优化方法；在频域上，提出了脉动风荷载的两种成型滤波器模型，建立了结构风振响应主动控制的随机最优控制理论。在随机最优控制理论的基础上，提出了结构风振被动控制装置参数设计的三种方法—准最优控制算法、受控结构传递函数参数优化方法和虚拟激励方法，并对非线性被动动力减振器提出了基于动力减振器运动方程等价线性化的风振控制设计方法。建立了多种减振器对高耸结构风振控制效果的等效阻尼比的统一公式，并提出了求取各种阻尼器对高耸结构风振控制效果等效结构阻尼比的传递函数等效方法，建立了依据风振控制效果而修正的设计风荷载，并按常规分析方法进行高耸结构风振控制设计计算的实用方法。（３）被动装置地震反应控制的设计计算方法研究了粘滞流体阻尼器用于建筑结构消能减振（震）设计的设计原理和分析方法，主要包括：阻尼器的设置、耗能支撑的设计、消能减振建筑结构的特点及设防目标，振型分解反应谱法、时程分析法和实用设计步骤和阻尼器参数的优化分析。建立了阻尼器支撑的设计方法，以及附加水平控制力、附加有效阻尼比和总有效阻尼比、地震影响系数、阻尼矩阵的计算方法。给出了消能减振结构地震作用效应计算、截面抗震验算和抗震变形验算的方法和应该注意的问题，给出了实用设计步骤。采用双模型动力分析方法对加入粘滞阻尼器的高耸进行了分析研究，即在建立广义控制力作用位置矩阵和计算阻尼器两端的相对位移过程中运用同一结构模型，同时对采用线性和非线性粘滞阻尼器的高耸结构进行了风振和地震响应控制研究，提出了相应的耗能减振的设计计算方法。分别用等效线性化理论、复模态理论和现代控制理论对加入粘弹性阻尼器的结构和毗邻结构进行了弹塑性动力反应分析和比较，进行了安装粘弹性阻尼器结构的空间优化及考虑阻尼器参数和结构共同工作的整体优化分析研究；进行了装有粘弹性阻尼器的钢筋混凝土结构模型的振动台试验，研究了粘弹性阻尼器对钢筋混凝土结构的减震效果、阻尼器对结构动力特性的影响以及在结构中不同位置设置阻尼器时结构的动力响应；结合工程实际，给出了粘弹性耗能支撑的几种常用型式及各类斜撑的水平控制力计算公式，并提出了加入粘弹性阻尼器结构的两阶段—两步骤设计方法，为工程结构减振控制设计应用粘弹性阻尼器提供了具体的设计和分析方法。对采用不同液体和不同构造措施的调频液体阻尼器(TLD)分析了液体晃动的频率、阻尼比及其对TLD减振性能的影响，建立了晃动液体的势流场，基于动力效应等效原则,建立其等效力学模型。研究了采用粘滞阻尼器的调频质量阻尼器系统（TMD）用于大跨结构和高柔结构的设计原理。由于阻尼的存在，TMD子结构的调谐频带加宽，子结构位移被限制在一定范围之内，有效削减结构的振动反应。进行了高耸结构在风荷载作用下TLD、TMD、及其混合控制研究。推导了TLD对结构风振反应的控制力和控制效果的等效阻尼比；已经了悬吊AMD对设置TLD结构脉动风振反应的最优控制分析方法，将TLD控制效果转换为等效平均线性阻尼比，在迭加于结构控制振型的阻尼比上，求取AMD主动控制时变Riccati矩阵，按管流模型模拟AMD主动控制力和加载过程，得到AMD每一瞬时考虑时迟调整的最优控制力。提出了适用于任意风向的高耸结构的主动质量阻尼器AMD设计的关键技术，建立了AMD对高耸结构主动控制的分析方法。２.１.３主动智能半主动控制算法（１）主动变刚度-阻尼（AVS-D）控制技术本成果根据半主动控制的需要提出了主动变刚度-阻尼控制的概念，基于瞬时最优控制的思想提出了主动变刚度-阻尼(AVS-D)控制的控制律，将Kobori提出的根据受控结构位移反应和速度反应符号确定的控制律推广至变刚度-阻尼控制，提出了一种主动变刚度-阻尼控制(AVS-D)装置，针对这一装置，进行了AVS-D控制体系控制效果仿真分析；建立了多自由度结构AVS-D控制体系的运动方程，提出了多自由度结构AVS-D控制体系的振型控制算法。AVS-D控制在每一个采样周期内使受控结构在不同的刚度和阻尼之间进行切换，这一控制系统既具有主动变刚度控制系统能动地避开外激励卓越频率的优点，同时又具有变阻尼系统削减动力反应峰值，对较宽频带内的外界激励所具有的非频变的减振性能。可以预见，由于这一控制方式将AVS控制与AVD控制有机地结合起来，其控制效果将优于这两种装置中任何一种装置的控制效果。AVS-D控制不同于AVS控制的另一个非常重要特性是：若AVS-D控制的开关装置失效时，AVS-D可以对受控结构进行被动阻尼控制。仿真计算和振动台试验表明，AVS-D系统的控制效果优于AVS控制系统的控制效果。AVS-D控制系统较AVS控制系统优越的另一个明显特征在于其可以向受控结构提供附加阻尼而具有较高的可靠性。（２）改进瞬时最优控制算法结构主动控制是在结构上安装控制装置，通过外界能源的输入以抵消或减小结构由于外界扰动而产生的动力反应。由于实时控制力可以随输入扰动而改变，其控制效果基本上不依赖于扰动的特性，因此明显优于被动控制。主动控制是减轻结构在外界随机环境荷载作用下的损坏，增加结构的适用性和舒适性的一条有效途径。与经典最优控制算法相比，瞬时最优算法（IOC）无需求解Riccati方程，并可将其推广应用于非线性、非弹性与时变系统，是一种在理论研究、试验研究及工程应用中使用得较为广泛的一种控制算法。尽管IOC只是一种亦步亦趋的局部最优控制，但这种控制算法能根据实时监测到的结构反应序列和激励序列以及通过实际递推辨识所识别的结构模型确定各个时刻的控制力。IOC算法在确定控制律的过程中，为了简化问题，假定指数矩阵跟控制力向量与外荷载向量之和的积在采样周期内线性变化，实际上是要求作动装置所施加的控制力在每一采样周期内都呈指数规律变化，这一假定可能会使主动控制在工程实际中较难实现。本项目显式地考虑控制器的额定能力，假定地震作用和控制力在每个采样周期内呈线性变化，提出了改进的瞬时最优控制算法，该算法可以使控制器的额定工作能力得到充分的、合理的利用，并可获得明显优于J.N.Yang的瞬时最优控制算法和经典线性最优控制算法的控制效果。（３）结构离复位控制策略离复位控制策略的核心思想是限制结构零位置穿越速度以尽可能孤立每个往复运动，防止动力效应的累积。以此为基础，可以与模糊控制理论相结合形成具体的控制算法，包括离散控制和连续控制两种。本项目提出并进一步发展了离复位控制策略，并分别结合相平面法和模糊控制理论，提出了相应的直接控制法与间接控制法。离复位控制具有类似智能控制的优点，直接法是指作为一种分级振动控制方法直接实施，间接法是指用于生成结构模糊控制系统的控制规则，与模糊控制结合使用。无论采取两者中任一种途径，离复位控制均无需建立控制系统的精确数学模型即可有效实施控制，容许结构控制系统本身内嵌的参数不确定性、非线性和时变特性等因素存在，具有容错性强、鲁棒性好等优点，相比传统控制方法更符合结构振动控制工程的实际特点。２.２新型减隔震控制装置本项目立足工程实际需要，开发了一系列新型的隔震与减振控制装置，进行了相关理论研究、性能试验和效果测试，建立了其分析模型和简化设计方法，相关成果获得多项国家发明专利和实用新型专利，部分技术在实际工程中取得了很好的应用。根据使用对象和控制目标可以分为新型隔震控制装置、新型耗能减振控制装置、智能型和其他控制装置三部分。２.２.１新型隔震控制装置（１）竖向和三维隔震装置基础隔震与设备竖向隔振技术已取得了令人瞩目的成果，并广泛用于工程实践中。但是，对于地铁运行诱发的环境振动与竖向地震引起建筑物的竖向振动隔振（震）研究却相对非常薄弱。在这样的背景下，本项目提出一种采用铅芯橡胶支座和碟形弹簧的串联组合系统作为三维基础隔振（震）装置，它不仅具有三向适宜刚度和阻尼性能，刚度易于调整，而且加工制作容易，性能稳定。铅芯橡胶隔震支座是建筑基础隔震技术中普遍使用的隔震元件，由多层薄钢板和橡胶片交替叠合经热硫化而成，然后在其中心孔压入铅棒，具有较大的初始水平刚度，能有效的控制地基微震动和风振动的影响。铅芯橡胶隔震支座不仅具有制作工艺简单，经济性较好，同时具有适宜的水平刚度和阻尼性能，能保证良好的隔震效果。同时，通过橡胶支座第二形状系数S2、橡胶材料硬度和铅芯直径的调整，较容易改变橡胶支座水平刚度和阻尼性能。但是，铅芯橡胶隔震支座的竖向刚度很大，常常是水平刚度的几百倍以上。因此只能降低水平地震对上部结构的地震反应，而对于竖向地震动没有多大的隔震效果。将铅芯橡胶支座和碟形弹簧串联组合，取长补短，形成一个具有三向适宜刚度和阻尼性能的三维基础隔振（震）系统。既能有效地降低水平地震对上部结构的地震反应，并且构造简单，易于实现。本成果研究和探讨了铅芯橡胶隔震支座和碟形弹簧支座的构造、特点和性能参数的计算方法，据此提出了三维隔振（震）支座的设计原则和方法。（２）变刚度隔震保护装置、隔震软着陆保护装置本成果发展和改进了基础隔震变刚度保护措施，即通过在隔震层引入附加弹簧来改变结构周期，选取了恰当的参数，减小了隔震层变形。按照多质点结构分析模型建编制了弹塑性分析程序。进行了地震模拟振动台试验。理论与试验分析结果表明：变刚度隔震保护方案是合理可行的，能有效改变结构动力特性，减小隔震层变形，同时还能使上部结构层间剪力不明显增大，具有很好的应用前景。深入研究了基础隔震软着陆保护措施，即通过在隔震层增设一种由承载橡胶支座和一端具有摩擦滑动面的、在正常使用状态下增设不受竖向荷载的后备支座组成的并联隔震体系，用以防止承载橡胶支座发生大变形失稳破坏。在理论分析的基础上进行了地震模拟振动台试验，验证了限位保护措施的效果以及轴压力转移的情况。理论分析与试验结果表明：软着陆保护能有效保护承载支座免遭失稳破坏，同时还能提供附加的阻尼，可以同时将隔震层和上部结构的层间位移控制在允许范围以内。软着陆保护为实际工程应用提供了必要的理论与试验技术支持，不失为一种经济有效的基础隔震保护措施。２.２.２新型耗能减振控制装置（１）变间隙型、自复位型粘滞流体阻尼器粘滞阻尼器是一种速度相关型耗能阻尼器，本项目为了促进耗能阻尼器的产业化和工程实用化，对各类粘滞阻尼器进行了详细的研究，研制和开发了包括单出杆、双出杆、孔隙式、间隙式、组合式阻尼器（缓冲器）等结构形式的一系列粘滞阻尼器。本项目对各类粘滞阻尼器的性能及速度非线性指数进行了详细地对比研究，并得出了一些规律性结论。双出杆粘滞阻尼器拉压力相同，容易提供较大阻尼力，适用结构范围较广；单出杆粘滞阻尼器具有拉压力不平衡的缺陷，但也具有特殊的用途，本项目利用该特点研制了一种具有自复位能力的粘滞阻尼器，缸内装有高压缩性的粘滞材料，当活塞受到压力时，活塞向缸筒内部进入，粘滞材料从间隙中流动产生阻尼，粘滞材料受压缩产生弹性力，能使活塞迅速复位，承受下次缓冲。但这种阻尼器只能承受压力不能承受拉力。为了使该缓冲器能够承受拉力，采用了一种转化装置，这种装置能够把拉力转化成压力，使这种具有自复位功能的粘滞阻尼器能够承受拉压作用,可以作为具有承载力（承受静载）的支座式阻尼器使用。被动控制是需要外部能源和只对某种设定地震动特征和结构响应进行的控制，其调节能力相对比较弱。假如输入地震动偏离预先设定的情况，控制的效果将大大减弱甚至失效。主动控制可以实时调整控制器出力或状态，但其稳定性问题、能源需求问题长期以来难以得到很好的解决。结构减振控制系统的性能绝大程度上由装置和算法所共同决定。控制装置是控制作用的实际执行者，也始终是控制研究的重点。随着理论研究的深入以及控制对象趋于多样化、复杂化，结构控制对控制装置的要求逐渐提高。如果能够依据主动/半主动控制法则对控制力的需求以及反馈机理，设计出具有近似于半主动控制功能的被动控制系统，将大大简化结构控制的实现，为工程实用化提供一种简单、经济、高效的实现方案。本项目提出一种变间隙式粘滞阻尼器，通过改变间隙式粘滞阻尼器的间隙达到以被动方式实现半主动控制效果的目的。这种变间隙式粘滞阻尼器，缸体内壁采用中部内径最大，靠近端部内径逐渐减小的变内径旋转曲面，活塞的纵面也采用同样曲率的中部内径最大，靠近端部内径逐渐减小的变直径旋转曲面。亦即缸体内壁的纵截面为关于缸体中部对称的变缸径曲面，活塞的纵截面为关于活塞中部对称且曲率与缸体纵向截面一致的曲线形式。缸体内径和活塞的纵向直径的曲率一致使得粘滞阻尼器的活塞和缸体保持均匀的间隙值，当阻尼器活塞由缸体的中部向端部运动时，活塞和缸体间的间隙减小导致阻尼器的阻尼系数随之增加。也就是说，阻尼器的阻尼系数随着阻尼器缸体与活塞的相对位移的增大而增大，从而提高阻尼器的耗能能力。仿真分析表明，随着振动幅值的增大，变间隙粘滞阻尼器的最大出力也相应增大。在振幅值较小时，两种阻尼器的最大出力相近，变间隙粘滞阻尼器的出力小于一般间隙式粘滞阻尼器，但耗能相近；随着振动幅值的增大，变间隙粘滞阻尼器的出力大于一般间隙式粘滞阻尼器。在振动幅值达到变间隙粘滞阻尼器的行程时，变间隙粘滞阻尼器的最大出力远远大于一般间隙式粘滞阻尼器。当地震激励的强度不确定时，变间隙粘滞阻尼器对位移的减振效果保持恒定，整体减振效果优于一般间隙式粘滞阻尼器,考虑到尚不能对未来可能发生的地震动的强度做出可靠的估计，变间隙粘滞阻尼器的应用将提高结构的安全性能。（２）剪弯型铅合金阻尼器本项目研制了一种剪弯型铅合金消能器。剪弯型铅合金消能器由耗能铅体、传力件和螺栓组成，也可在铅体外加设约束件。它是通过铅体的剪弯变形来耗能。设置一定的偏心距，使铅体承受一部分弯矩的目的主要是增加铅体的变位量，另外偏心产生的弯矩使铅体部分受压，又增加一部分摩擦阻力。这种消能器的滞回曲线相当丰满，滞回曲线基本呈双线形。为了减小结构物在小震和风载作用时的变位，还在铅消能器上并联了钢棒，使钢棒与铅体共同工作。由于钢棒的刚度较大，小变位时它将承受大部分荷载。钢棒未屈服时它不起耗能作用，所以滞回曲线比较窄；钢棒屈服后滞回环又渐趋丰满。进行了钢筋混凝土结构消能支撑伪静力模拟试验，取得了较好的减震效果。（３）高效阻尼（HEDC）控制装置本项目提出一种高效被动阻尼控制装置（High-efficientPassiveDampingController，即HEDC），具有放大阻尼器两端相对位移反应功能，可以在结构的层间位移较小时就开始发挥作用，以改善和提高结构在中小地震作用或风荷载作用下的正常使用环境和居住者的舒适性；在强烈地震作用下，该装置可以使阻尼器产生比普通被动阻尼控制装置更大的变形，从而更多地耗散地震能量，以确保主体结构的安全性。具有放大阻尼器两端相对运动功能的高效被动阻尼控制装置（HEDC），由互相连通的两个液压缸、活塞、导杆、阻尼器和水平抗侧力构件等组成，液缸内充满了压缩性很小的液体。HEDC的阻尼器可以是摩擦耗能器、金属履历型阻尼器、活塞式油压阻尼器以及粘性和粘弹性阻尼器等。该被动阻尼控制装置具有放大阻尼器两端相对运动的功能，通过调整上、下两活塞的面积比将使阻尼器两端产生比普通阻尼器更大的相对位移，从而提高阻尼器对受控结构所产生的附加阻尼，该装置无需对阻尼器的工作性能、加工维护等提出额外的要求，通过合理设计上、下两活塞的几何尺寸及支撑（或其它抗侧力构件）的刚度，就可以将结构与支撑的位移之差通过液缸放大，使阻尼器产生较大的变形，从而充分发挥阻尼器的工作潜力，故该装置将具有良好的减震（振）耗能效果。通过对单自由度结构体系、多自由度体系运动分析和地震作用下的动力仿真计算和优化分析表明，具有位移放大功能的高效阻尼（HEDC）控制装置可以比普通阻尼控制装置更有效减小受控结构的相对位移反应，取得远远优于普通无放大功能阻尼控制装置的控制效果。（４）新型悬吊式调谐质量阻尼器为了提高悬吊式调谐质量阻尼器(TMD)的工作稳定性，防止配重块的抖动和扭转，并克服其阻尼装置需要频繁检修更换等缺点,本项目提出一种新型悬吊式调谐质量阻尼器装置，该装置不仅能够减小和控制结构多个方向的水平振动，而且避免了配重块的扭转和抖动，而新的阻尼方式可以长期使用无需维修更换。所设计的悬吊式调谐质量阻尼器减振控制装置包括十字形万向铰、配重块、刚性吊杆、摩擦阻尼片、拉簧；其中，十字形万向铰与主体结构连接，十字形万向铰转轴的轴端周围设置摩擦阻尼片，配重块通过刚性吊杆悬挂于十字形万向铰的下部，刚性吊杆的底部采用拉簧与主体结构连接。用刚性吊杆代替柔性吊线，可以避免配重块的扭转和竖向抖动，而采用的十字形万向铰能够保证TMD对各个水平方向均起到减振控制作用。摒弃了传统的活塞式阻尼器，而采用包裹在十字形万向铰转轴部位的摩擦阻尼片来提供TMD的阻尼，通过调节摩擦阻尼片的预紧力可以方便的调节TMD的阻尼。摩擦阻尼片制作简单，不存在活塞式阻尼器的渗漏和参数不稳定等问题，可以长久使用而无需检修。为了提高TMD对地震等冲击性作用的控制能力，本项目提出一种调速型调谐质量阻尼器。利用磁流变阻尼器锁紧TMD与主体结构，调节TMD和结构的相位关系，减少频率失调带来的控制效果的降低。调速型调谐质量阻尼器在冲击型荷载作用和TMD失调情况下的控制效果明显好于传统被动TMD，不存在大震时主动控制难以解决的能量问题，易于实现，成本较低。２.２.３智能型和其他控制装置（１）巨电流变复合叠层橡胶支座中低层房屋采用叠层钢板橡胶支座进行基础隔震，可以大幅度地提高抗震能力，但也存在一些不足，即当隔震建筑遭遇地震波中的低频成分时仍存在发生类共振的可能性。由于隔震层的刚度比上部结构层间刚度小100倍，甚至更小，变形将集中发生在隔震层。为使隔震层具有较大的变形能力，需要采用直径较大的隔震橡胶支座，但水平刚度和造价一般就要增大。出于经济方面的考虑，橡胶支座直径不可能用得太大，且一经投入工程使用，其刚度和阻尼就不能再加以改变，地震时的水平位移就有可能会超过其变形极限，导致发生失稳现象。如何确保橡胶支座在罕遇地震或长周期地震时的安全，同时控制上部结构地震反应是一个急待解决的问题。本项目采用新型巨电流变液设计了三种电流变阻尼器，研究了智能隔震保护技术，对触发限位型电流变阻尼器隔震结构进行了理论分析,编制了程序，通过实例分析，探讨了其在限制支座大变形中的作用，选取了恰当的参数。同时，对采用剪切阀式电流变阻尼器结合各种算法进行了智能隔震仿真对比分析，编制了分析程序，设计了模糊逻辑控制和位移限值控制算法，综合考虑了隔震周期、隔震层阻尼比、上部结构刚度、上部结构阻尼比、半主动控制中不同的权系数对控制效果的影响，选取了适宜的区间范围，考虑了土和结构相互作用的影响。此外，还设计了一种具有较大粘滞阻尼系数和可调系数的双出杆双缸电流变阻尼器，进行了仿真分析。结果表明，电流变阻尼智能隔震是很好的隔震保护方案，能有效地改善被动隔震系统的性能，可用来防止隔震层因过大变形而失效破坏，同时也能控制和减少上部结构地震反应。此项成果为进一步的研究和实际应用奠定了基础。采用磁流变阻尼器和改进的实时控制程序进行了振动台半主动控制试验，通过和基础固定、基础隔震的对比，验证了该阻尼器在瞬时最优、模糊逻辑控制、位移限值控制算法以及零场控制和满场控制的效果以及相对于一般基础隔震的优越性。试验结果表明：智能隔震系统不仅能够大幅度减小隔震层的水平位移，有效保护隔震层和隔震支座，上部结构层间位移反应和加速度反应也得到了有效的控制。采用智能型隔震系统能够有效改善隔震结构的性能，大大提高隔震建筑的安全可靠性。（２）逆变型磁流变阻尼器现有的磁流变阻尼器(Magnetorheologicaldamper简称MRdamper)技术存在诸多的优点也已经有小范围的实际工程应用，对于本项目而言，进一步提高磁流变阻尼器的性能，降低其造价，简化其设计方法从开始就是一个主要的研究目标。针对现有磁流变阻尼器的若干不足，本项目利用电磁—永磁复合磁路设计原理提出一种新型的逆变式磁流变阻尼器，理论分析及试验表明所提出的设计方案切实可行，不仅丰富了磁流变阻尼器的结构形式，也为具体结构减振控制应用提供了可供选择的磁流变阻尼器设计方案。现有磁流变阻尼器在接通电流时阻尼工作区域的磁场强度增加，阻尼器的阻尼增大，而切断电流时磁流变阻尼器仅仅提供有限的粘滞阻尼力。为了提高磁流变阻尼器的动态可调范围，一般需要进行合理的设计使得磁流变阻尼器在切断控制电流时粘滞阻尼力尽可能小以满足控制律要求，同时为了使得磁流变阻尼器即使在控制器失效时仍能提供足够大的阻尼力，则希望磁流变阻尼器的不可控阻尼维持在一定水平，这给实际的磁流变阻尼器设计带来困难。对于大多数的工程应用情况，磁流变阻尼器处于较大阻尼状态对减振控制比较有利，维持一定阻尼是磁流变阻尼器发挥其耗能能力的重要前提。为了实现磁流变阻尼器逆变的设想，可行的途径是在不通电流时使得磁流变液处于一定强度的磁场作用下，而通过电流时磁流变液所处磁场强度减小。通过永磁体可以很容易的实现不需要电流的永磁磁场，一种办法是将永磁磁路引入磁流变阻尼器磁路设计，建立一种永磁磁场和电磁场共同工作的复合磁路，利用并行（支路）磁路的设计原理，合理布置永磁体和电磁线圈，通过电磁动势影响磁力线的分布，从而改变磁流变液所在区域的磁感应强度，实现接通电流时阻尼变小，关闭电流时阻尼增大的逆变效应。为了引入永磁磁场以及实现电流调节磁场的目的，最关键的一点是保证永磁体和励磁线圈的正确使用，为了避免永磁体的直接退磁，逆变复合磁路通过电磁磁通改变永磁磁通的流向，从磁路上讲会存在一个理论上的辅助气隙。在实际磁路设计中，辅助气隙可以由一定磁导率的半导磁性材料（较低磁导率的钢材）来实现。为了具体在磁流变阻尼器上实现复合磁路，本项目设计的一种逆变式剪切流动式磁流变阻尼器，该磁流变阻尼器除磁路部分外其它构造与现有技术的磁流变阻尼器相同。在这个设计方案中，励磁线圈仍然绕于活塞中部挖出的凹槽内，与常规磁流变阻尼器不同的是活塞的中部采用了低磁导率的中心连杆（高强无磁铝或铜合金），线圈的内部仍然有部分的高导磁铁芯，但是铁芯的中部断开加入低磁导率无磁合金环作为辅助气隙，在线圈的外部安装有环形或棒形的永磁体。合理设置辅助气隙的大小，可以保证当励磁线圈没有电流通过时，由永磁体产生的磁通主要由构成阻尼通道的工作气隙形成回路。当励磁线圈通过一定方向的电流时，励磁线圈产生的励磁磁场与永磁磁场通过辅助气隙形成回路，从而导致永磁体产生的磁场基本不通过构成阻尼通道的工作气隙，或者在理论上也可以认为励磁磁场在工作气隙产生了与永磁磁通大小相等，方向相反的磁通，从而使得工作气隙等效合成磁场为零。这种磁路设计，避免了励磁磁场对永磁体的消磁效应，并且可以有效的实现工作气隙的磁场逆变。本成果通过等效磁路试验，验证了逆变复合磁路的有效性；设计制作了一个足尺的阀式逆变型磁流变阻尼器，通过周期性动力试验验证了这种逆变型磁流变阻尼器的逆变特性和良好的耗能能力，并进一步对其研制工艺和磁路改进措