学术报告

研究的主要作者、机构和发表信息

本文由Jun Zou, Jinyu Lu, Na Li, Haichen Zhang, Zhicheng Sha和Zhiyin Xu等作者完成，以上作者分别隶属于东南大学土木工程系（地址：中国南京210096）和南京林业大学土木工程学院（地址：中国南京210037）。相关研究发表在《Journal of Constructional Steel Research》期刊上，文章于2024年8月9日收到稿件，于2024年11月10日修改后被接受，实验结果在线发表于2024年11月15日，论文DOI为10.1016/j.jcsr.2024.109166。

研究的学术背景和目的

本研究属于土木工程领域，聚焦于一种新型自适应梁索结构（Adaptive Beam String Structure, ABSS）的自主控制精度和灵敏度问题。在结构工程中，梁索结构以其卓越的力学性能被广泛应用。然而，传统的梁索结构被动承担荷载，导致较大的自重与低材料利用率，限制了其应用范围。此外，传统自适应梁索结构依赖的主动支撑系统（Active Strut）在控制精度和灵敏度上存在局限，难以应对在复杂工况下的多样化控制需求。尤其在承受极端荷载（如地震或强风）时，结构需要具备极高的响应灵敏度，以避免破坏或延迟破坏过程。因此，提高主动支撑系统的控制性能至关重要。

为了应对上述问题，作者提出了一种基于双菱形主动支撑（Double Rhombic Active Strut, DRASS）的双菱形自适应梁索结构（DRSABSS），利用菱形放大机制（Rhombic Amplification Mechanism）改善结构控制精度和灵敏度，期望通过其良好的适应能力实现不同工况下的实时控制。

研究的主要目标是开发一种能够灵活切换控制模式的新型主动支撑设计，并利用几何变形模型与实验验证其在多荷载情况下的控制表现。

研究的详细流程

研究包含的步骤与实验设计 - 几何变形建模与设计公式推导
基于菱形放大机制，研究团队建立了双菱形主动支撑的几何变形模型，分析初始角度对结构控制精度和灵敏度的影响，推导了对应的设计公式。首先以单个菱形支撑为研究对象进行变形机理分析，随后扩展到双菱形支撑的几何建模。公式通过实验数据验证其准确性。

• 试验验证与缩尺模型搭建
  研究搭建了双菱形主动支撑的缩尺实验模型，其核心部件包括菱形支撑组件、传感器和控制器。上部和下部菱形主动支撑以铰接方式连接，并通过H型连接件形成整体结构。实验设置了不同的初始角度以及不同的加载工况，包括全跨度加载、半跨度加载、非对称加载等。

• 实验加载与数据采集
  加载点均匀分布在缩尺模型的梁上，共12个加载节点（每个节点加载5公斤铸铁重物）。此外，系统集成了位移传感器和应变片，用于实时记录梁的垂直位移和应力分布。在加载过程中，采用闭环反馈控制策略，通过遗传算法（Genetic Algorithm, GA）优化双菱形主动支撑的动作分配。

• 控制方法对比
  实验设计了两种控制方案进行对比：（1）传统主动支撑控制方案（ABSS），以固定参数直接进行控制；（2）基于双菱形主动支撑的先进控制方案（DRSABSS），利用放大机制提升控制性能。这两种方案的表现均通过仿真与实验结合验证。

实验流程与数据处理
实验与仿真基于以下三步进行： 1. 梁的静力性能分析：研究获取结构节点的位移矩阵和外部荷载矩阵，建立结构平衡方程。 2. 结构约束条件设置：包括材料屈服约束、局部屈曲约束、自由度约束及执行器操作范围约束。 3. 优化目标设定：以最小化梁的垂直位移为目标，通过遗传算法得到控制策略。

研究的主要结果

1. 菱形放大机制与控制参数优化
   通过几何模型与实验验证发现，菱形主动支撑的初始角度是决定控制功能的关键，当角度大于90°时，支撑的垂直变形远大于水平方向的位移量，有效提高控制灵敏度；而当角度小于90°时，垂直变形减小，控制精度显著提升。

2. 实验与仿真验证设计公式
   在不同加载情况下，上部和下部菱形支撑的实验位移与理论位移误差小于1.21%，验证了设计公式的准确性和适用性。

3. 先进控制方案的优越性
   对比传统主动支撑控制，双菱形主动支撑控制的精度显著提高，最大位移误差从传统方案的21.02%降低至4.07%，应力误差从19.77%降低至1.99%。实验表明菱形放大机制优化了控制精度，且显著缩短了控制时间，间接提升了灵敏度。

4. 缩尺模型的有限元仿真与验证
   利用Abaqus软件进行了三维有限元建模，仿真结果与实验数据一致性良好，位移误差率为5.39%，应力误差率为13.94%。

研究的结论及价值

研究展示了一种创新的双菱形主动支撑设计，基于菱形放大机制的新型自适应梁索结构能够在不同工况下灵活切换控制模式，同时提升了控制精度和灵敏度。尤其是对于需要高稳定性的关键结构（如桥梁、高层建筑），该方法为复杂外部环境下的主动控制提供了新的解决方案。

该研究的科学意义主要体现在提出了一种高效且可行的菱形放大机制，填补了传统主动支撑设计在多样化控制能力上的不足；在应用层面，可以提高自适应空间结构在实际工程中的安全性和耐久性。

研究的亮点

1. 提出了双菱形主动支撑这种创新设计。
2. 建立了完整的几何变形模型和设计公式，并验证了其准确性。
3. 通过实际实验和遗传算法优化闭环控制策略实现结构性能全面提升。
4. 实现了主动控制精度和灵敏度的统一优化，特别适合复杂动态环境。

未来研究方向

尽管研究已成功验证了双菱形主动支撑的控制优势，但作者指出该结构的“面外稳定性”仍需进一步研究，并对遗传算法在复杂实时动态控制中的实际应用提出了展望。这表明进一步提高优化计算效率、适应动态环境的控制策略是未来的研究重点。