淺談土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)

1、淺談土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)摘要：依據(jù)控制系統(tǒng)與外部能源、結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)信息和動(dòng)荷載信息之間的關(guān)系，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制四類。本文探討了土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)。關(guān)鍵詞：土木工程；結(jié)構(gòu)；振動(dòng)；控制；技術(shù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)械、宇航、船舶等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，而其在土工工程界引起廣泛興趣則始于1972 年美籍華裔學(xué)者YaoJ.T.P(姚治平)對(duì)結(jié)構(gòu)控制這一概念的首次提出。此后，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展，目前已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科中一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域，被稱為土木工程的高科技領(lǐng)域。 一、土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的分類 依據(jù)是否需要外界能源, 結(jié)構(gòu)控制可分為

2、被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制四類。 1、被動(dòng)控制 被動(dòng)控制不需要提供外部能量，而通過(guò)減震、隔震裝置來(lái)消耗或轉(zhuǎn)移振動(dòng)能量，同時(shí)阻止振動(dòng)在結(jié)構(gòu)中的傳播，它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于維護(hù)且無(wú)需外界能源支持等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。被動(dòng)控制主要包括基礎(chǔ)隔震、耗能減震和調(diào)諧減震?；A(chǔ)隔震就是在建筑物或構(gòu)筑物基底設(shè)置控制機(jī)構(gòu)來(lái)隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸，使結(jié)構(gòu)振動(dòng)減輕，避免地震破壞。隔震裝置必須具備以下條件：具有較大的變形能力；具有足夠的初始剛度和強(qiáng)度；能提供較大的阻尼, 具有較大的耗能能力。目前，常見(jiàn)的隔震裝置有夾層橡膠墊隔震裝置、滾軸加鋼板消能裝置、粉粒墊層隔震裝置、鉛芯滯變阻尼器隔震裝置、鋼滯

3、變阻尼器隔震裝置、 基底滑移隔震裝置、懸掛基礎(chǔ)隔震裝置和摩擦隔震裝置等。隔震是發(fā)展最快、最早的結(jié)構(gòu)減震控制方法，它在技術(shù)上比較成熟，減震效果明顯，構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，理論研究和試驗(yàn)研究成果也比較豐富和完善，是目前大多數(shù)減震控制結(jié)構(gòu)所采用的方法。橋梁隔震形式有多種，其中使用最廣的是鉛芯橡膠支座，隔震支座設(shè)置于橋墩與主梁之間。鉛芯橡膠支座不僅可以提供很大的初始水平剛度以滿足在正常使用荷載作用下只產(chǎn)生小位移，并能自動(dòng)復(fù)位，又能以較小的屈服后剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的隔震效率。 耗能減震技術(shù)是把結(jié)構(gòu)物中的某些構(gòu)件（如支撐、剪力墻等）設(shè)計(jì)成耗能部件或在結(jié)構(gòu)物的某些部位（節(jié)點(diǎn)或連接處）設(shè)置阻尼器，在小荷載作用下，耗

4、能桿件和阻尼能處于彈性狀態(tài)，在強(qiáng)烈地震作用下，耗能裝置首先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的能量，使主體結(jié)構(gòu)避免進(jìn)入明顯的非彈性狀態(tài)，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)不受破壞。按照耗能裝置的不同，耗能減震體系可分為兩類：耗能構(gòu)件減震體系和阻尼器耗能減震體系。前者包括各種耗能支撐（如方框耗能支撐、圓形耗能支撐、K形偏心耗能支撐等） 和耗能剪力墻（如橫縫剪力墻、豎縫剪力墻、周邊縫剪力墻和阻尼器剪力墻等）。后者包括摩擦阻尼器、彈塑性耗能器（軟鋼耗能器、鉛擠壓阻尼器、記憶合金耗能器等）、粘彈性阻尼器、粘滯阻尼器等。 調(diào)諧減震技術(shù)是在主體結(jié)構(gòu)中附加子結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)移，使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量在原結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)之間重新分

5、配，從而減小原結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。目前主要的調(diào)諧減震裝置有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、調(diào)諧液體阻尼器、調(diào)諧液柱式阻尼器、擺式質(zhì)量阻尼器、質(zhì)量泵、液壓- 質(zhì)量控制系統(tǒng)、懸掛結(jié)構(gòu)體系等。 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置由質(zhì)量、彈性元件和阻尼器組成的裝置，其減震機(jī)理是結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)TMD 系統(tǒng)將一部分振動(dòng)能量吸收從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的。調(diào)諧液體阻尼器（TLD）是一種固定在結(jié)構(gòu)上的具有一定形狀的盛水容器，其減震機(jī)理是在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)帶動(dòng)容器中的液體晃動(dòng)，液體波與容器箱壁碰撞而產(chǎn)生控制力，同時(shí)液體晃動(dòng)將吸收一部分能量，這兩方面的因素減小了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)。 2、主動(dòng)控制 結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制是利用外部能源( 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或智能

6、材料) , 在結(jié)構(gòu)物受激勵(lì)振動(dòng)過(guò)程中, 瞬時(shí)施加控制力或瞬時(shí)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性, 以迅速衰減和控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的一種減震技術(shù)。主要應(yīng)用于對(duì)抗震抗風(fēng)要求較高, 要求對(duì)多振型進(jìn)行控制的重要建筑和高層建筑、橋梁、特種結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制技術(shù)無(wú)疑是一種比較理想的方法, 它對(duì)于提高抵抗地面運(yùn)動(dòng)不確定性的能力, 直接減小輸入的干擾力, 以及在地震發(fā)生時(shí)連續(xù)自動(dòng)地調(diào)整結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的功能等方面均優(yōu)于被動(dòng)控制方法。雖然主動(dòng)控制已取得一定的理論研究和試驗(yàn)研究成果, 減震效果非常明顯有效, 并已在少數(shù)工程中試點(diǎn)應(yīng)用, 但在技術(shù)上還有一些問(wèn)題尚待解決。目前, 尚未步入技術(shù)成熟階段。其主要存在以下問(wèn)題: （1）控制系統(tǒng)

7、的硬件和軟件的滯后性及有效控制性等問(wèn)題尚需進(jìn)一步解決;（2）突發(fā)地震時(shí)外部能源的正常供應(yīng)問(wèn)題;（3）設(shè)備的常年維護(hù)問(wèn)題;（4）造價(jià)昂貴問(wèn)題;（5）抗震抗風(fēng)的同時(shí)有效控制問(wèn)題。主動(dòng)控制根據(jù)控制力是否依賴結(jié)構(gòu)響應(yīng)或外界激勵(lì)可分為:閉環(huán)控制、開(kāi)環(huán)控制和開(kāi)閉環(huán)控制。目前研究和工程應(yīng)用較多的是閉環(huán)控制。根據(jù)控制器的不同, 主動(dòng)控制又有主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、主動(dòng)錨索之分。主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)是利用傳感器時(shí)刻監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)反應(yīng)( 位移、速度或加速度) , 并根據(jù)卡提閉環(huán)控制理論,計(jì)算機(jī)接受傳感器信息并瞬時(shí)改變狀態(tài)矢量和反饋矢量得出控制力, 接著電液伺服裝置將最優(yōu)控制力施加于結(jié)構(gòu), 以控制其運(yùn)動(dòng)和變形。主動(dòng)錨索控制是

8、利用傳感器把結(jié)構(gòu)的反應(yīng)傳給計(jì)算機(jī), 計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析計(jì)算出所需要的控制力, 驅(qū)動(dòng)液壓伺服系統(tǒng), 該系統(tǒng)通過(guò)錨索對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力, 從而有效地減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)。該裝置已被應(yīng)用到實(shí)際結(jié)構(gòu)中, 用于控制風(fēng)振反應(yīng)。 3、半主動(dòng)控制 半主動(dòng)控制是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性來(lái)減震的。1960 年日本Kobor i 最早提出了結(jié)構(gòu)變剛度的概念, 1983 年Hrovat 研究了土木工程結(jié)構(gòu)的半主動(dòng)控制問(wèn)題。半主動(dòng)控制與主動(dòng)控制相比, 它所需外部能量小得多, 維護(hù)要求不高, 更容易實(shí)施也更為經(jīng)濟(jì), 而且控制效果又與前者接近, 因此半主動(dòng)控制具有較大的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)價(jià)值。常見(jiàn)的半主動(dòng)控制系統(tǒng)有主動(dòng)調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)

9、、可變剛度系統(tǒng)、可變阻尼系統(tǒng)、變剛度變阻尼系統(tǒng)等。 4、混合控制 混合控制是將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制同時(shí)施加在同一結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)減震控制形式。根據(jù)所起作用的相對(duì)大小來(lái)看，可分為主從組合方式和并列組合方式，前者是以某一控制為主控制部件，其它部件通過(guò)主要部件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制；后者是兩種控制各自獨(dú)立工作而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制；近年研究較多的是以被動(dòng)控制為主、主動(dòng)控制為輔的主從組合方式?；旌峡刂瓢ㄖ鲃?dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)（AMD）與調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)（TMD）或調(diào)諧液體阻尼系統(tǒng)（TLD）的混合控制，主動(dòng)控制與基礎(chǔ)隔震的混合，主動(dòng)控制與耗能減震的混合，液體質(zhì)量控制系統(tǒng)和主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的混合。混合控制將主動(dòng)控制與被動(dòng)控制聯(lián)合

10、應(yīng)用，可以充分發(fā)揮兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，克服各自的缺點(diǎn)，只需很小的能量輸入即可得到很好的控制效果。被動(dòng)控制由于引入主動(dòng)控制，其控制效果和調(diào)諧范圍有了極大的增強(qiáng)；另一方面，主動(dòng)控制由于被動(dòng)控制的參與，所需的控制力大大減小，抗震系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性都比單純的主動(dòng)控制有所增強(qiáng)。 二、結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制發(fā)展趨勢(shì)及展望 近年來(lái)結(jié)構(gòu)的抗震、減振設(shè)計(jì)概念經(jīng)歷了很大的飛躍，受到了許多領(lǐng)域的專家和學(xué)者的高度關(guān)注，由被動(dòng)控制到主動(dòng)控制，由主動(dòng)控制到半主動(dòng)控制和混合控制，進(jìn)一步向智能化的方向發(fā)展，研究對(duì)象也從以前的理想狀態(tài)向?qū)嶋H結(jié)構(gòu)靠近、非線性模型、滯后效應(yīng)、不確定性因素都逐漸被考慮在內(nèi)。雖然在理論上和實(shí)際應(yīng)用上已經(jīng)取得了

11、不少新的成就，但仍存在許多問(wèn)題有待深入探討研究： 1、結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)研發(fā)尋求耗能少、造價(jià)低、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、可靠性大的被動(dòng)控制和主動(dòng)控制系統(tǒng)控制裝置； 2、被動(dòng)控制裝置系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)較為成熟同時(shí)在實(shí)際工程中已經(jīng)取得了應(yīng)用效果，應(yīng)將其進(jìn)行系統(tǒng)整理，使其逐步實(shí)用化、規(guī)范化，以推動(dòng)其在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用； 3、建立研究結(jié)構(gòu)延性耗能構(gòu)件的力學(xué)模型，通過(guò)確定延性耗能構(gòu)件的強(qiáng)度、耗能指標(biāo)、受力特性、截面特征、配筋方式及數(shù)量等參數(shù)的定量關(guān)系，進(jìn)而對(duì)附有延性耗能構(gòu)件的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究出含有新型合理控制裝置的結(jié)構(gòu)體系； 4、加強(qiáng)關(guān)于混合控制和半主動(dòng)控制裝置的試驗(yàn)研究及工程試點(diǎn)建筑研究，理論分析的試驗(yàn)結(jié)果有時(shí)會(huì)與實(shí)際情況存在較大誤差，通過(guò)試點(diǎn)建筑研究可以檢驗(yàn)和保證控制裝置的可靠性及實(shí)際控制效果，以期達(dá)到實(shí)用化要求； 5、關(guān)于半主動(dòng)控制和主動(dòng)控制裝置的實(shí)驗(yàn)研究以及作動(dòng)器、傳感器的數(shù)量、位置和控制參數(shù)的優(yōu)化研究，達(dá)到結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的最理想效果，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制“智能化”的要求。 參考文獻(xiàn)： 【1】 黃大宇. 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究進(jìn)展與展望. 中原工學(xué)院學(xué)報(bào), 2009,(04) . 【2】 李浩久,強(qiáng)文博,師小燕. 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的發(fā)展和現(xiàn)狀. 四川建筑, 2009,