r - The Hong Kong Polytechnic University

The 5th Cross-strait Conference on Structural and Geotechnical Engineering (SGE-5)
Hong Kong, China, 13-15 July 2011
索 杆 张 力 结 构 风 振 主 动 控 制 研 究
1,2
1
2
肖 南 苗 永 志 陈 华 鹏
(1. 浙 江 大 学 建 筑 工 程 学 院 , 浙 江 杭 州 310058 2. 英 国 格 林 威 治 大 学 土 木 系 , 英 国 肯 特 ME4 4TB)
摘 要 : 索 杆 张 力 结 构 由 于 质 量 轻 , 刚 度 柔 , 在 脉 动 风 荷 载 作 用 下 容 易 产 生 较 大 的 变 形 和 振
动 。 为 了 实 现 对 该 类 结 构 风 致 振 动 的 主 动 控 制 , 本 文 考 虑 结 构 几 何 非 线 性 及 风 与 结 构 的 相 互 作
用 , 基 于 瞬 时 最 优 理 论 推 导 了 张 力 结 构 风 振 主 动 控 制 方 程 , 并 通 过 Levy 型 索 穹 顶 算 例 进 行 主
动 控 制 分 析 。 结 果 表 明 , 本 文 中 的 风 振 主 动 控 制 理 论 对 索 杆 张 力 结 构 具 有 很 好 地 适 用 性 , 在 较
小 的 控 制 力 下 即 可 对 结 构 的 位 移 和 速 度 响 应 取 得 明 显 的 控 制 效 果 。 此 外 , 主 动 控 制 调 节 了 受 控
结 构 在 风 荷 载 作 用 下 的 内 力 分 布 , 从 而 使 杆 件 轴 力 维 持 在 初 始 预 应 力 的 水 平 。
关 键 词 : 索 杆 张 力 结 构 风 振 主 动 控 制 索 穹 顶
ACTIVE VIBRATION CONTROL OF CABLE-STRUT TENSEGRITY STRUCTURES
UNDER WIND EXCITATION
Nan XIAO 1,2 , Yong-zhi MIAO 1 and Hua-peng CHEN 2
1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
2. School of Engineering, University of Greenwich at Medway, Chatham Maritime, Kent, ME4 4TB, UK
Abstract: Cable-strut tensegriy structures tend to present significant deformation and vibration under dynamic
wind loading. In order to eliminate or at least minimize the undesirable effects of this perturbation, the theory of
active control is introduced. By considering geometric nonlinearity and the effect of wind-structure interaction,
the active control approach is developed based on the instantaneous optimal control algorithm. In order to
validate the effectiveness of the theory, studies on a Levy cable dome are performed. The results reveal that the
active control theory presented in this paper is advantageous to tensegrity structures under dynamic wind
excitation, and only small control force is required to reduce the structural responses. In addition, active control
may modify the distribution of member forces in order to maintain the structure in the level of pre-tension.
Keywords: Cable-strut tensegriy structures, wind-induced vibration, active control, cable dome.
一 、 前 言
索 杆 张 力 结 构 是 由 张 力 索 和 压 力 杆 为 基 本 构 成 单 元 、 通 过 预 应 力 提 供 结 构 刚 度 的 一 类 空 间 结 构
体 系 [1] 。 该 类 结 构 能 够 最 大 限 度 地 利 用 自 身 的 材 料 特 性 , 以 尽 量 少 的 材 料 建 造 更 大 跨 度 的 空 间 。 虽
然 如 此 , 由 于 其 结 构 的 质 量 轻 , 刚 度 柔 , 对 风 荷 载 十 分 敏 感 , 在 强 风 荷 载 作 用 下 , 容 易 发 生 较 大 的
变 形 和 振 动 。 这 种 过 大 的 振 动 不 仅 可 能 引 起 结 构 表 面 膜 材 的 撕 裂 破 坏 , 还 可 能 影 响 结 构 的 稳 定 [2]-[4] 。
目 前 , 索 杆 张 力 结 构 的 抗 风 问 题 并 没 有 得 到 很 好 地 解 决 , 由 风 荷 载 引 起 的 结 构 振 动 及 变 形 仍 然 是 结
构 安 全 的 一 个 重 大 隐 患 。
主 动 控 制 是 利 用 外 部 能 源 ( 计 算 机 控 制 系 统 或 智 能 材 料 ), 在 结 构 受 到 激 励 而 振 动 的 过 程 中 ,
瞬 时 施 加 控 制 力 或 瞬 时 改 变 结 构 的 动 力 特 性 , 以 迅 速 控 制 或 衰 减 结 构 的 振 动 反 应 。 近 些 年 来 , 张 力
结 构 的 主 动 控 制 研 究 引 起 了 广 泛 的 关 注 。Skelton [5] 等 人 的 研 究 表 明 , 对 张 力 结 构 的 主 动 控 制 仅 需 要
[6]
很 小 的 外 部 能 量 , 从 而 使 得 张 力 结 构 主 动 控 制 具 有 了 可 行 性 。Djouadi 等 基 于 有 限 单 元 法 对 一 个 由
4 个 三 棱 柱 张 力 集 成 单 元 组 成 的 结 构 进 行 加 速 度 激 励 下 的 瞬 时 最 优 的 控 制 研 究 , 证 明 了 该 方 法 的 有
效 性 。Kamada [7] 等 人 采 用 压 电 材 料 为 作 动 器 , 研 究 柔 性 结 构 在 随 机 荷 载 作 用 下 的 主 动 控 制 效 果 。Raja
和 Narayanan [8] 基 于 H 2 和 H ∞ 的 最 优 控 制 理 论 研 究 某 包 含 2 个 单 元 的 张 力 集 成 结 构 在 随 机 荷 载 作 用 下
的 反 应 , 并 且 比 较 了 两 种 控 制 理 论 的 不 同 。
索 杆 张 力 结 构 在 强 风 作 用 下 容 易 进 入 几 何 非 线 性 状 态 , 因 而 该 类 结 构 的 风 振 主 动 控 制 应 采 用 非
线 性 系 统 的 控 制 算 法 。J.N.Yang 等 在 文 献 [9] 中 指 出 经 典 线 性 最 优 控 制 理 论 由 于 没 有 考 虑 外 部 干 扰 ,
因 而 不 是 真 正 的 最 优 , 并 提 出 了 新 的 最 优 控 制 算 法 : 瞬 时 最 优 控 制 法 。 该 瞬 时 最 优 控 制 法 在 每 个 时
间 步 内 优 化 性 能 泛 函 , 由 于 将 结 构 位 移 按 振 型 分 解 , 因 而 仍 然 是 线 性 系 统 的 控 制 方 法 。 在 文 献 [10]
中 Yang 等 推 导 了 地 面 加 速 度 荷 载 作 用 下 , 以 状 态 空 间 表 示 的 非 线 性 结 构 的 最 优 控 制 方 法 。Chang
基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50978228).
作 者 简 介 : 肖 南 (1965—), 男 , 博 士 , 副 教 授 , 从 事 空 间 结 构 的 教 学 、 科 研 和 工 程 实 践 工 作 . E-mail:sholran@zju.edu.cn.
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