结构控制：过去，现在和未来
作者是G. W. Housner: ASCE成员, L. A. Bergman, ASCE成员, T. K. Caughey,A. G. Chassiakos, ASCE成员, R. O. Claus, S. F. Masri, ASCE成员,R. E. Skelton,' ASCE成员, T. T. Soong,S Member, ASCE, B. F. Spencer,9 Member, ASCE, and J. T. P. Yao,lO Member, ASCE
摘要：本调查论文主要包括：（1）研究人员和从业人员提供了一个简洁的出发点都希望土木工程的控制和监测，以评估目前最先进的结构;及（2）指出两者之间的链接结构的控制和控制理论等领域的异同，并指出未来的研究和应用工作有可能证明取得丰硕成果。本文由以下几个部分组成：第1节是介绍;第2节是被动能源消耗;第3节主动控制尺寸;第4节混合动力和半主动控制系统;第5节讨论了传感器的结构控制;第6节智能材料系统;第7节健康监测和损伤检测;第8条研究的需要。大量引用的文献资料在下面列出。
1 引言
1.1项目背景
由地震或风产生的振动可以通过各种手段控制，如改变硬度，质量，阻尼，或形状，并提供被动或主动的反作用力。迄今为止，一些结构控制的方法已被成功地使用，新提出的方法提供了应用程序进行扩展和提高效率的可能性。在鉴于此，它似乎是一个适当的时间对于美国结构振动控制研究小组准备简要概述这一领域，通过实验已经有多篇论文上有发表的理论和实践。尽管民用结构控制工程方面的努力才刚开始，但已经发表的论文的数量是如此之多已经超出审阅的能力要在有限的时间审查所有在美国，亚洲和欧洲的有关的文献。作为第一个步骤，一份代表作家的意见，并提供对未来研究的建议的报告正在准备，但不会尝试面面俱到在这个领域。该报告提供把注意力集中在重要方面的问题，可以作为指导文献，也可以作为对未来的研究的一块垫脚石。现在确定的是结构控制是设计新结构和改造地震与风的结构的重要组成部分。因此，公布这个调查报告中的结构控制的研究和应用是可行的，指明对未来研究的现在方向。在美国，土木工程结构控制领域的演变是迅猛的，在过去的几几十年里吸引了众多研究者注意和兴趣。虽然其根源主要是航空航天问题跟踪和指向，灵活的空间结构技术迅速转移到民用工程。与基础设施相关的问题，如保护建筑物和桥梁在地震和风作用下的极端载荷。由于姚在1972年最初的概念研究，这个领域不断走向成熟，最终1994年8月份在洛杉矶举行了第一届世界结构振动控制会议。这吸引了来自15个国家337名参与者，包括225篇涵盖各个方面的结构控制的技术论文。作为一个管理机构和未来的会议和研讨会所的赞助者，国际结构控制协会（IASC）于1994年成立，1995年ASCE成为自动控制委员会（AACC）的一员。加入像IEEE，AIAA，AICHE，和ASME这样的拥有悠久的参与控制工程的历史的类似组织。
在日本，结构控制获得一系列发展并且
目前超过20个完整的大型建筑应用了主动控制系统，主要是为了在强风期间提高乘员舒适度，有关工作也有在欧洲和俄罗斯展开。在美国和其他地方，被动基础隔震系统在低层和中高层建筑抗震设防已经成为一种公认的设计方案。类似一般控制文献，治理结构的文献往往代表不同的利益和观点，但都有一个共同的目标：保护它们的城市和人民。 最近的在1994年，加利福尼亚州的北岭破坏性地震事件和在1995年在日本神户证明了在设计新的结构时减轻这些危险重要性。此外，应抗震设计规范要求的改变，因为一个破坏性地震，或许应该归功于最近洛杉矶市中心附近下面发现的一个活跃故障证明了分析和结构抗震性能的升级是必要的。单独的强度设计并不一定保证该建筑物维持对居住者的舒适性和安全性的动态响应。在1989年的Loma Prieta地震中，在旧金山的一幢高47层的建筑物经历了在地下室lO％g和顶层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。类似的这种结构变动的事例同样发生在最近的北岭和神户地震。事实上，这种要求在强度和安全上是相互冲突的。因此增加机构的备用抵抗力的同时保持装置理想的动态特性，基于使用各种主动，半主动，被动和混合控制方案，提供了保障。目前的结构控制概念其历史可以追溯到100年以前的约翰·米尔恩，在日本的一位教授级高级工程师，他建立了一个小木屋里并将其放置在球轴承来证明结构可以避免地震晃动的影响。线性系统的理论及其应用到振动领域，并应用到特定的结构动力学，要比二十世纪的前半叶需要更多的发展。许多这方面的发展的起源于用于汽车和飞机的内燃机，本身达到非常高的动力水平。在第二次世界战争中，如隔振，减振，减振等概念得到了开发并且有效地应用于飞机结构。工程结构领域第一次接受了这一
技术是在20世纪60年代，从那时起，已经采取了若干不同的方案，一个例子是低层的基础隔震和中高层结构和桥梁。目的是较为灵活的安装在的基础结构上，依据高频率的地面运动和延长至约2秒的振动的固有周期。但是，在地震谱上在2-s周期附近明显的能量反应证明这是不理想的。另一种方法是基础隔震，其软化的固有周期是3s或4 s，但是这将导致大幅度的运动，那将是令人满意的。另外，在最近的地震速度大脉冲已被记录在该近断层区域，这也可能使普通基础隔震不切实际的。某些结构，因为它们的形状，例如修长的高层建筑，可能不适合用基础隔震。隔离器，其作用是过滤掉地面运动中的更高的频率。已被用在医院的设施中用来保护脆弱的计算机设施。这项技术已欣然接受并应用在美国的几十个新的或正在改装的隔震结构中。
对于柔性结构例如高层建筑来说，特别是那些易受强风吹袭的，辅助阻尼器成功的发挥了作用。减震装置，无论是粘性的，粘弹性、或塑料的，整个结构被部署在结构中提供了一个显著的增加能量耗散和减少震动的作用。目前建筑中采用辅助阻尼器的包括在纽约市的世界贸易中心大厦和在西雅图和加州的几栋建筑。 另一种被动的方法是被应用到更高的建筑上以减少风引起的振动的是调谐质量阻尼器（TMD）。这个装置是一个经典的动力吸振器，组成的辅助的质量占总的结构质量的1％，设置于建筑物的顶部，并通过一个无源的弹簧与阻尼器连接。辅助系统被调谐，以减少建筑运动的振幅。虽然这是一种特别有效的方法去固定窄带运动，但是它并不适用于瞬态效应占主导地位的运动，如激烈的地震。然而，设计者已经掌握了几个参数，包括质量比和吸收器的阻尼比，应该与装置的频率和衰减能力是有关的。自从20世纪70年代TMDs已在美国得到应用，
这样的例子你可以在波士顿的约翰汉考克大厦和在纽约的花旗集团大厦得到证明。
正如在前言中提到的第一届结构控制世界大会上指出的，结构控制具有
鲜明的特点并且给这个领域的研究指明了方向。这些功能是卓越的。
首先，土木工程结构锚固的，因此是处于静态稳定的。在部署时单纯的
提高主动控制增大了它的不稳定的可能性，相反，空间结构需要主动控制的稳定性。此外， 众所周知，土木结构所受到环境的干扰，例如风和地震，是非常不确定的，取决于它们的大小和到达的时间这个特点，而机械载荷的要求是有据可查的。此外，土木工程结构通常的性能要求通常是比较粗略的相比飞机和航天器对结构的性能要求。它们的性能要求通常只有比较细微的不同。 那些已经使用在已建成的建筑物及桥梁上的结构控制表明，这是一个宝贵的工程工具。并且，此外，可能的组合方法和更复杂的方法，在长时间的使用过程中已经得到了充分的保障。事实上，在土木工程结构振动控制领域，现在似乎发展成一种特别的科目涵盖了大体积和大规模结构的振动问题，涉及到通过多种方法给结构施加反作用力来改变它的振动特性进而控制其运动。在目前的发展阶段这种方法比较理想的总结了这个技术领域的状态，并指出了未来研究发展方向。 1.2国际发展
美国国家结构振动控制研讨会于1990年在由美国国家委员会的资助的
美国国家科学基金会（NSF）的主持下在美国南加州大学召开，吸引了近100位 参与着，其中包括来自加拿大 中国，德国，意大利，日本，墨西哥和西班牙的几位代表。
STRUCTURAL CONTROL: PAST, PRESENT, AND FUTURE
By G. W. Housner: Member, ASCE, L. A. Bergman,z Member, ASCE, T. K. Caughey,3
A. G. Chassiakos,4 Member, ASCE, R. O. Claus,s S. F. Masri,6 Member, ASCE, R. E. Skelton,' Member, ASCE, T. T. Soong,S Member, ASCE,
B. F. Spencer,9 Member, ASCE, and J. T. P. Yao,lO Member, ASCE
ABSTRACT: This tutoriaVsurvey paper: (1) provides a concise point of departure for researchers and practitioners
alike wishing to assess the current state of the art in the control and monitoring of civil engineering
structures; and (2) provides a link between structural control and other fields of control theory, pointing out both
differences and similarities, and points out where future research and application efforts are likely to prove fruitful. The paper consists of the following sections: section 1 is an introduction; section 2 deals with passive energy dissipation; section 3 deals with active control; section 4 deals with hybrid and semiactive control
systems; section 5 discusses sensors for structural control; section 6 deals with smart material systems; section
7 deals with health monitoring and damage detection; and section 8 deals with
research needs. An extensive list
of references is provided in the references section. 1 INTRODUCTION 1.1 Background
The control of structural vibrations produced by earthquake or wind can be done by various means such as modifying
rigidities, masses, damping, or shape, and by providing passive or active counter forces. To date, some methods of structural control have been used successfully and newly proposed methods offer the possibility of extending applications and improving efficiency. In view of this, it seems an appropriate time for the U.S. Panel on Structural Control Research to prepare a summary overview of the field, as many papers have been published on the theory and practice as well as on experiment and performance. Although work on structural control in civil engineering is relatively recent, the number of papers published is so large that it is beyond the capability of the panel
to review all relevant literature in the United States, and in Asia and Europe in a limited time. As a first step, a report was prepared that represents the views of the writers and provides recommendations for future research, but does not attempt to cover everything published in the field. Such a report serves to focus attention on important aspects of the subject, can be a guide to the literature, and can also serve as a stepping stone for future reports. It is now established that structural control
'Prof. Emeritus, Div. of Engrg. and App!. Sci., California Inst. of Technol., Pasadena, CA 91125.
'Prof., Dept. of Aeronautical and Astronautical Engrg., Coli. of Engrg., Univ. of I1linois at Urbana-Champaign, Urbana, IL 61801.
'Prof., Div. of Engrg. and App!. Sci., California Inst. of Techno!., Pasadena, CA.
4Prof., Coli. of Engrg., California State Univ., Long Beach, CA 90840. 'Prof., Dept. of Electr. Engrg., Coli. of Engrg. Virginia Polytechnic Inst. & State Univ., Blacksburg, VA 24061.
\Southern California, Los Angeles, CA 90089.
?Prof., Dept. of App!. Mech. and Engrg. Sci., Univ. of California, San Diego, San Diego, CA 92037.
\Univ. of New York at Buffalo, Buffalo, NY 14222.
\Univ., Notre Dame, IN 46556.
'''Prof., Dept. of Civ. Engrg., Texas A&M Univ., College Station, TX 77843.
Note. Associate Editor: Sami Masri. Discussion open until February I, 1998. To extend the closing date one month, a written request must be filed with the ASCE Manager of Journals. The manuscript for this paper was submitted for review and possible publication on May 29, 1997. This paper is part of the Journal of Engineering Mechanics, Vol. 123, No.9, September, 1997. ?ASCE, ISSN 0733-9399/97/0009-08970971/$ 4.00 + $.50 per page. Paper No. 15617.
can be an important part of designing new structures and retrofitting existing structures for earthquake and wind. Therefore, it seems desirable to issue this survey of publications of
structural control research and applications, and to present directions for future research.
In the United States, the evolution of the civil engineering
field of structural control has been rapid, attracting the interest and attention of scores of researchers over the past several
decades. Though having its roots primarily in such aerospacerelated problems as tracking and pointing, and in flexible space
structures, the technology quickly moved into civil engineering and infrastructure-related issues, such as the protection of buildings and bridges from extreme loads of earthquakes and winds. Since the initial conceptual study by Yao in 1972, the field has continued to mature, culminating in the First World Conference on Structural Control, held in Los Angeles in August 1994. This attracted 337 participants from 15 countries,
and 225 technical papers covering various aspects of structural
control were presented. The formation of the International Association for Structural Control (IASC) as a governing body
and sponsor of future conferences and workshops took place in 1994. ASCE became a member of the American Automatic
Control Council (AACC) in 1995, joining such peer organizations as the IEEE, AIAA, AIChE, and ASME who have a
long history of involvement in controls engineering. Furthermore, in Japan, structural control has developed in parallel and more than 20 full-scale buildings are currently implemented with active control systems, primarily to enhance occupant comfort during periods of high winds; relevant work has also been carried out in Europe and Russia. In the United States
and elsewhere, passive base isolation systems in low- and medium- rise buildings for seismic protection have become an accepted design strategy. Similar to the general controls literature, the structural control literature tends to represent diverse interests and viewpoints, though all share a common goal: the protection of cities and the people in them.
Recent destructive seismic events in Northridge, California