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第一篇 多维地震动及结构多维振动分析第1章 多维地震动3

1.1 概述3

1.2 地震动转动分量的求取方法4

1.2.1 转动分量的弹性波理论方法4

1.2.2 转动分量的两点差法8

1.2.3 转动分量的强震观测8

1.3 体波情况下转动分量的时程9

1.3.1 转动分量计算公式9

1.3.2 入射角13

1.3.3 视波速18

1.3.4 坐标变换18

1.3.5 计算步骤和数值算例19

1.4 面波情况下转动分量的时程23

1.4.1 R波情况23

1.4.2 L波情况24

1.4.3 相速度25

1.5 地震动转动分量的随机模型32

1.5.1 体波情况32

1.5.2 面波情况36

参考文献38

第2章 结构多维振动模型40

2.1 概述40

2.2 具有刚性楼盖结构的平扭耦联振动40

2.2.1 单层结构体系40

2.2.2 多层结构体系47

2.3 等效刚度参数识别法56

2.3.1 等效刚度参数识别的基本原理56

2.3.2 空间结构的等效刚度参数识别法57

参考文献58

第3章 结构多维地震反应59

3.1 时域分析59

3.1.1 结构多维振动方程59

3.1.2 振型分解法60

3.1.3 地震反应的逐步积分法61

3.1.4 地震反应的状态空间分析法72

3.2 随机反应分析73

3.2.1 结构随机振动的振型位移法73

3.2.2 多维随机振动的振型加速度法74

3.3 基于Simulink仿真分析77

3.3.1 系统状态方程77

3.3.2 Simulink仿真环境简介77

3.3.3 Simulink模型的建立79

3.3.4 Simulink模型的有效性分析84

参考文献85

第4章 非经典阻尼体系地震反应87

4.1 复特征向量的正交性87

4.2 复模态叠加法88

4.3 非经典阻尼体系随机反应90

参考文献93

第二篇 结构被动控制系统97

第5章 基础隔震结构体系97

5.1 概述97

5.2 隔震装置101

5.2.1 多层橡胶支座的分类102

5.2.2 多层橡胶支座的力学性能103

5.2.3 多层橡胶支座的设计109

5.3 隔震结构模型及高宽比限值简化公式112

5.3.1 隔震结构计算模型112

5.3.2 高宽比限值简化公式推导116

5.4 水平地震动作用下隔震结构高宽比限值分析119

5.4.1 影响高宽比限值的因素119

5.4.2 影响因素分析120

5.5 考虑竖向地震作用时高宽比限值分析124

5.5.1 竖向地震作用下隔震结构的运动方程124

5.5.2 竖向地震作用对高宽比限值的影响125

5.5.3 隔震结构高宽比限值的建议128

5.6 偏心隔震结构简化计算公式129

5.6.1 偏心隔震结构动力方程的建立130

5.6.2 偏心隔震结构地震反应分析132

5.6.3 偏心隔震结构地震作用的简化计算公式142

参考文献145

第6章 调谐质量阻尼器减振体系148

6.1 概述148

6.2 TMD的计算模型及影响参数分析148

6.3 TMD系统对结构地震反应的控制151

6.4 多调谐质量阻尼器系统的控制原理153

6.5 MTMD对偏心结构的减震控制155

6.5.1 偏心结构-MTMD计算模型155

6.5.2 MTMD控制系统参数的优化设计157

6.5.3 数值算例159

参考文献163

第7章 调谐液体阻尼器减振体系164

7.1 概述164

7.2 TLD的减振原理164

7.3 TLD中动水压力的简化计算165

7.3.1 矩形TLD中水的固有特性165

7.3.2 TLD中液体动液压力的计算166

7.4 TLD结构减振体系的简化计算方法168

7.4.1 控制系统的数学模型168

7.4.2 TLD-结构体系的状态方程及时域分析168

7.4.3 TLD结构体系简化计算实例169

7.5 利用多个TLD控制结构多振型反应171

7.5.1 结构计算模型与动力特性计算171

7.5.2 被动控制装置TLD尺寸的选取172

7.5.3 利用TLD控制多振型动力反应172

7.6 TLD的实验研究173

7.6.1 试验模型及实验参数173

7.6.2 试验结果分析174

7.7 利用TLD进行空间结构减振控制175

7.7.1 理论自振周期177

7.7.2 非线性TLD模型177

7.7.3 试验设备及步骤178

7.7.4 试验结果179

参考文献181

第8章 调液柱型阻尼器减振体系183

8.1 概述183

8.2 环形调液阻尼器的减振研究184

8.2.1 CTLCD减振系统的运动方程185

8.2.2 CTLCD中阻尼的等价线性化186

8.2.3 CTLCD-结构体系的运动方程187

8.2.4 CTLCD等效阻尼的精确性分析188

8.2.5 控制器的最优参数191

8.2.6 CTLCD对结构扭转振动控制的参数分析193

8.2.7 CTLCD对结构平移-扭转耦联振动控制的参数分析194

8.3 调液阻尼器对结构扭转耦联振动控制的优化设计197

8.3.1 控制体系的运动方程198

8.3.2 目标函数评估201

8.4 调液阻尼器对多层偏心结构扭转耦联振动控制的分析204

8.5 CTLCD振动控制中的拍210

8.5.1 纯扭转振动控制中的拍211

8.5.2 拍对结构受迫振动的影响219

8.5.3 结构扭转耦联振动控制中拍的研究221

8.6 调液阻尼器对结构扭转耦联振动控制的试验研究224

8.6.1 试验模型224

8.6.2 试验参数225

8.6.3 试验结果分析226

8.6.4 理论值与试验值的比较229

参考文献230

第9章 耗能阻尼器的减震与设计233

9.1 概述233

9.2 摩擦阻尼器233

9.2.1 摩擦阻尼器的构造233

9.2.2 摩擦阻尼器受力特性235

9.2.3 摩擦阻尼器的减震效果和设计236

9.3 黏弹性阻尼器239

9.3.1 黏弹性阻尼器的构造239

9.3.2 VED的受力特性241

9.3.3 剪力储存模量和损耗模量的影响因素242

9.3.4 VED的减震效果和设计246

9.4 黏滞液体阻尼器250

9.4.1 黏滞液体阻尼器的构造250

9.4.2 VFD的受力特性252

9.4.3 VFD的减震效果和设计258

9.5 软钢阻尼器265

9.5.1 软钢阻尼器的构造265

9.5.2 软钢阻尼器受力特性265

9.5.3 软钢阻尼器的振动台减震试验272

9.5.4 偏心结构软钢阻尼器减震设计的简化能力谱方法282

9.5.5 消能支撑对结构不利因素影响305

9.5.6 工程应用313

参考文献326

第三篇 控制算法333

第10章 基于现代控制理论的主动控制算法333

10.1 概述333

10.2 最优控制算法333

10.2.1 LQR333

10.2.2 瞬时最优控制算法334

10.3 模态控制算法336

10.3.1 极点配制法336

10.3.2 独立模态空间控制337

10.3.3 滑动模态控制337

10.4 鲁棒控制算法338

参考文献339

第11章 神经网络控制算法340

11.1 概述340

11.2 人工神经网络的性能341

11.3 结构控制中常用的神经网络模型343

11.3.1 静态多层前向网络343

11.3.2 动态网络模型344

11.4 人工神经元模型及传递函数344

11.5 多层前向网络的函数逼近能力346

11.6 多层前向网络的学习346

11.6.1 神经网络的学习方式和学习算法346

11.6.2 BP算法347

11.7 BP算法的改进351

11.8 神经网络的稳定性、容错性、鲁棒性和泛化能力352

11.9 神经网络控制方案354

11.9.1 神经网络监督控制354

11.9.2 神经网络直接逆模型控制355

11.9.3 神经网络自适应控制355

11.9.4 神经网络内模控制357

11.9.5 神经网络预测控制357

11.9.6 神经网络自适应判断控制357

11.10 基于多分支BP网络的结构系统辨识358

11.10.1 系统辨识基础359

11.10.2 ANN系统辨识方法360

11.10.3 基于多分支BP网络的结构系统辨识362

参考文献375

第12章 模糊逻辑控制算法377

12.1 概述377

12.2 模糊逻辑控制的特点377

12.3 模糊逻辑控制中的基本概念378

12.3.1 模糊集合及其运算378

12.3.2 模糊控制中隶属度函数的确定原则380

12.3.3 模糊控制中常用的隶属度函数形式381

12.3.4 模糊逻辑及其运算382

12.4 模糊逻辑与近似推理382

12.5 模糊逻辑控制的基本原理384

12.5.1 模糊结构控制过程384

12.5.2 模糊逻辑控制方式387

参考文献388

第13章 遗传算法389

13.1 概述389

13.2 标准的GA及其原理390

13.2.1 GA的生物学基础390

13.2.2 标准的GA391

13.3 GA的运行参数395

13.4 GA的基本原理396

13.4.1 模式定理（schema theorem）396

13.4.2 积木块假设401

13.4.3 GA欺骗问题401

13.4.4 隐含并行性402

13.5 GA的应用示例403

13.5.1 结构模型及参数403

13.5.2 地震记录404

13.5.3 遗传优化算法405

13.5.4 计算及分析结果406

参考文献410

第14章 混合智能控制算法411

14.1 概述411

14.2 遗传优化神经网络控制411

14.2.1 BP神经网络的遗传训练方法411

14.2.2 神经网络结构的遗传优化设计412

14.3 基于GA的模糊逻辑控制414

14.3.1 基于GA的隶属度函数选择415

14.3.2 GA在模糊规则优化中的应用415

14.4 模糊神经网络417

14.4.1 基于标准型的模糊神经网络418

14.4.2 基于Takagi-Sugeno模型的模糊神经网络424

参考文献429

第四篇 主动、半主动及智能控制系统第15章 主动质量阻尼器控制系统433

15.1 概述433

15.2 AMD主动控制系统的减振机理434

15.3 AMD主动控制系统的设计436

15.4 偏心结构利用AMD减震的遗传BP神经网络控制441

15.4.1 AMD-偏心结构控制系统模型441

15.4.2 遗传BP神经网络对结构反应的预测与控制443

15.4.3 数值算例445

参考文献449

第16章 半主动调液柱型阻尼器控制系统451

16.1 概述451

16.2 半主动TLCD减振机理452

16.2.1 控制系统力学模型及减振设计452

16.2.2 数值算例455

16.3 偏心结构利用半主动TLCD减震的智能控制458

16.3.1 控制系统运动方程458

16.3.2 半主动控制准则460

16.3.3 神经网络对结构响应的预测461

16.3.4 TLCD减震的神经网络控制462

16.3.5 TLCD减震的模糊半主动控制468

16.4 半主动变刚度TLCD减震控制的研究472

16.4.1 SAVS-TLCD的减振性能473

16.4.2 半主动控制策略475

16.4.3 单自由度数值算例476

16.4.4 多自由度算例分析480

16.4.5 偏心结构利用SAVS-TLCD的减震控制483

参考文献486

第17章 磁流变阻尼器控制系统488

17.1 概述488

17.1.1 MRF的基本构成488

17.1.2 磁流变阻尼器的构造490

17.1.3 MRD在土木工程中的研究进展492

17.1.4 MRD在其他领域中的应用503

17.1.5 小结506

17.2 MRD动力学模型506

17.2.1 MRD参数化动力学模型507

17.2.2 MRD非参数化动力学模型518

17.2.3 MRD的双Sigmoid模型520

17.3 半主动控制策略528

17.3.1 研究进展529

17.3.2 多态控制策略535

17.3.3 改进Clipped-Optimal控制策略541

17.4 框-剪偏心结构MRD控制543

17.4.1 磁流变阻尼结构动力方程543

17.4.2 结构状态观测器和速度观测器的建立549

17.4.3 结构状态方程551

17.4.4 MRD控制偏心结构的平扭耦联振动反应551

17.4.5 小结562

17.5 框-剪偏心结构扭转耦联反应半主动控制试验研究562

17.5.1 结构控制系统的实现563

17.5.2 试验建立567

17.5.3 结构反应的测量570

17.5.4 试验工况573

17.5.5 试验结果与分析576

17.6 MRD智能加固体系的振动台试验582

17.6.1 抗震结构的损伤准则583

17.6.2 结构损伤的修复587

17.6.3 MRD抗震加固设计要点590

17.6.4 MRD抗震加固振动台试验590

17.6.5 小结596

参考文献596

第18章 压电摩擦阻尼器控制系统608

18.1 压电效应与压电材料608

18.2 压电智能减振器610

18.2.1 压电智能主动控制装置610

18.2.2 压电智能摩擦耗能器613

18.3 压电摩擦阻尼器的性能测试615

18.3.1 压电材料的本构方程615

18.3.2 压电摩擦阻尼器616

18.3.3 阻尼器的性能测试619

18.4 半主动摩擦阻尼控制体系621

18.4.1 控制体系数学模型621

18.4.2 半主动摩擦阻尼器623

18.4.3 控制算法624

18.4.4 控制参数的优化629

18.4.5 实施过程630

18.5 仿真模型的建立与数值计算630

18.5.1 被动摩擦阻尼器仿真模型的建立630

18.5.2 半主动系统仿真模型的建立633

18.5.3 程序验证636

18.6 压电摩擦阻尼器减震的数值分析637

18.6.1 单自由度数值算例637

18.6.2 单向地震动多自由度算例638

18.6.3 多维地震动多自由度算例648

参考文献650

第19章 形状记忆合金阻尼器控制系统653

19.1 形状记忆合金653

19.1.1 SMA工作原理（马氏体相变）653

19.1.2 SMA的特性654

19.2 SMA在结构振动控制中的应用657

19.2.1 SMA用于结构主动控制657

19.2.2 SMA用于结构被动控制660

19.2.3 SMA智能混凝土668

19.3 SMA线材力学性能试验研究670

19.3.1 超弹性SMA线材的力学性能测试671

19.3.2 马氏体相SMA线材回复力测试677

19.4 SMA本构关系模型682

19.4.1 唯象理论模型682

19.4.2 基于神经网络的SMA超弹性本构关系模型686

19.5 SMA混凝土梁自修复能力试验研究692

19.5.1 试验设计及试件制作693

19.5.2 超弹性SMA混凝土梁自修复性能测试696

19.5.3 马氏体相SMA混凝土梁自修复性能测试704

19.6 SMA混凝土柱动态特性试验研究706

19.6.1 试验设计706

19.6.2 SMA混凝土柱自由振动测试707

19.6.3 SMA混凝土柱通电激励振动测试709

19.7 SMA混凝土结构地震反应分析711

19.7.1 单向地震作用下SMA混凝土结构地震反应分析712

19.7.2 双向地震作用下SMA混凝土结构地震反应分析723

19.8 超弹性形状记忆合金阻尼器730

19.8.1 耗能-复位SMA阻尼器（CT-RC阻尼器）730

19.8.2 改进的CT-RT阻尼器733

19.8.3 多维SMA阻尼器734

参考文献739

第20章 基于市场机制的结构控制747

20.1 基于市场控制策略的提出747

20.1.1 分布式控制747

20.1.2 基于市场控制策略748

20.2 基于市场的理论控制算法750

20.2.1 结构振动方程和状态空间描述750

20.2.2 线性二次型经典最优控制751

20.2.3 MBC算法的理论基础753

20.2.4 结构控制系统的市场模型755

20.2.5 MBC算法应用总结760

20.3 MBC算法程序实现和参数优化设计762

20.3.1 MBC算法程序实现763

20.3.2 算例分析与模型参数研究765

20.3.3 市场模型参数优化770

20.3.4 优化结果评估771

20.4 改进MBC算法及应用774

20.4.1 偏心结构动力方程和控制系统的状态空间表达774

20.4.2 偏心平-扭耦联结构控制系统的市场模型建立775

20.4.3 MRD特性778

20.4.4 计算实例779

20.5 对偏心结构风振控制及算法的鲁棒性789

20.5.1 偏心结构风振控制的力学模型789

20.5.2 随机风模拟790

20.5.3 数值算例及分析792

参考文献799