土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究現(xiàn)狀與展望

1、土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究現(xiàn)狀與展望摘要：地震會(huì)給人類世界帶來十分嚴(yán)重的危害，具有預(yù)測(cè)難以及破壞性大等等問題，因此如何保證土木工程建筑的質(zhì)量具有一定的意義，而土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制在抗震領(lǐng)域之中具有相當(dāng)重要的意義，基于此，本文論述了我國土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究的現(xiàn)狀以及發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：土木工程；結(jié)構(gòu)振動(dòng)；現(xiàn)狀；展望1、土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究現(xiàn)狀在地震過程中，工程結(jié)構(gòu)會(huì)因劇烈的動(dòng)力荷載的作用受到一定程度的破壞，而工程結(jié)構(gòu)中的一般抗震設(shè)計(jì)不能很好的避免荷載造成的損傷，因此土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制受到人們關(guān)注，逐漸應(yīng)用到工程的抗震領(lǐng)域中。土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制就是土木工程結(jié)構(gòu)的特定部位裝設(shè)隔振墊、消能

2、支撐、消能剪力墻等某種控制裝置結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)科學(xué)合理的控制其工程結(jié)構(gòu)， 使其不受到地震或大風(fēng)中的加速度、 位移的影響，保證工程結(jié)構(gòu)、儀器設(shè)備、人員的安全。這些控制裝置或機(jī)構(gòu)能分擔(dān)工程在地震中的振動(dòng)作用，減弱工程自身承擔(dān)的力，而且可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率或周期，增大結(jié)構(gòu)阻尼， 施加控制力等， 以達(dá)到降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)作用下的各種反應(yīng)。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制最早廣泛應(yīng)用在機(jī)械、宇航、船舶等領(lǐng)域，后來該技術(shù)迅速發(fā)展，逐漸應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域。目前土木工 程結(jié)構(gòu)控制主要分為四個(gè)方面， 分別是被動(dòng)控制、 主動(dòng)控制、混合控制及智能控制，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。2.1、 主動(dòng)控制振動(dòng)主動(dòng)控制研究現(xiàn)狀20 世紀(jì) 50 年代末，由美國科

3、學(xué)家率先提出了振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的研究報(bào)告，進(jìn)入20 世紀(jì)70 年代振動(dòng)主動(dòng)控制才進(jìn)入廣泛的探索階段， 20 世紀(jì) 80 年代，現(xiàn)代控制理論尤其是隨著信號(hào)處理技術(shù)的成熟，振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)得到蓬勃發(fā)展。發(fā)展到 20 世紀(jì) 90 年代，振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)已日趨成熟，其研究對(duì)象己經(jīng)從簡單的線性系統(tǒng)發(fā)展到復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，控制系統(tǒng)從簡單的單輸入單輸出發(fā)展到多輸入多輸出系統(tǒng)，控制方法也在不斷改進(jìn)，已成功應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制、土木工程結(jié)構(gòu)抗震、車輛結(jié)構(gòu)隔震以及其他機(jī)械設(shè)備振動(dòng)控制等領(lǐng)域，并且后來出現(xiàn)的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制新型方法也已在振動(dòng)主動(dòng)控制中得到應(yīng)用。現(xiàn)有的振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展雖然取

4、得了一些成果，但是還有一些理論和技術(shù)問題需要進(jìn)一步的研究和探索。研究智能主動(dòng)控制算法，如連續(xù)分布系統(tǒng)的控制方法、存在非線性特性和結(jié)構(gòu)的時(shí)變不確定性系統(tǒng)的控制方法。隨著系統(tǒng)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)控制算法受到很大限制，需要發(fā)展智能控制技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等，而智能控制技術(shù)在振動(dòng)主動(dòng)控制中亦尚有許多問題亟待解決。要實(shí)現(xiàn)更精確的控制，開發(fā)高精度、智能化傳感器、作動(dòng)器和集成化傳感作動(dòng)部件已成必然之勢(shì)，而壓電材料具有正逆壓電耦合效應(yīng)，這使得其既可作為感知外部環(huán)境變化的傳感器，又可作為對(duì)外部環(huán)境變化作出迅速反應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)自身適應(yīng)能力的致動(dòng)器，壓電材料是發(fā)展的趨勢(shì)。結(jié)構(gòu)控制一體化優(yōu)化技術(shù)，即將傳感器、作動(dòng)器、控

5、制器等有機(jī)地與結(jié)構(gòu)集成。主動(dòng)改變結(jié)構(gòu)自身剛度和阻尼分布，自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制的目標(biāo)。智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳感器、作動(dòng)器設(shè)計(jì)及其配置、控制器設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)聯(lián)合進(jìn)行。這種智能結(jié)構(gòu)在航空、航天、建筑等工程中有著廣泛的應(yīng)用前景。2.2、 半主動(dòng)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀主動(dòng)變剛度控制系統(tǒng)該控制系統(tǒng)主要是在變剛度控制裝置的作用下，使振動(dòng)物體的附加剛度發(fā)生變化，從而使受控結(jié)構(gòu)的固有頻率不斷發(fā)生變化，有效地避免共振的情況，達(dá)到減振的目的。在這個(gè)過程中，結(jié)構(gòu)的能量發(fā)生了變化，經(jīng)歷了振動(dòng)能量的吸收、消耗與釋放這一過程。日本學(xué)者kobori 利用主動(dòng)變剛度系統(tǒng)做了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)和原型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，驗(yàn)證了這種控制系統(tǒng)的裝置可以

6、改變物體動(dòng)力參數(shù)，且僅需要極少的外界能量，就可以得到十分明顯的減振效果。在國內(nèi)，李敏霞和劉季等學(xué)者在這方面做了深入的研究，制作了類似的主動(dòng)變剛度控制裝置，并進(jìn)行了一個(gè)40t足尺的主動(dòng)變剛度裝置的性能試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)主要研究了電液伺服閥在passive-on和pas-sive-off狀態(tài)下主動(dòng)變剛度控制裝置的力學(xué)性能。楊潤林，閆維等提出了一種新型的半主動(dòng)變剛度（ isavs ）控制系統(tǒng)，并通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了它的有效性。 1.2 主動(dòng)變阻尼控制系統(tǒng)變阻尼系統(tǒng)由 hovat 首先提出，它是通過主動(dòng)調(diào)節(jié)變阻尼裝置，使其阻尼力變化至接近或等于主動(dòng)控制力，得到的振動(dòng)控制效果也和主動(dòng)控制接近。主動(dòng)變阻尼控制裝置

7、是基于黏滯流體阻尼器，附加可控伺服閥而形成的一種智能阻尼器，它通過控制流體能量，從而實(shí)現(xiàn)在控制一種或?qū)追N激勵(lì)引起的振動(dòng)。 feng 和 shinozuka 振動(dòng)工程中橋梁振動(dòng)的問題設(shè)置了一種變孔徑油阻尼器。kobori 等提出了一種半主動(dòng)流體阻尼器，并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明該阻尼器可以有效減小振動(dòng)過程中結(jié)構(gòu)的峰值加速度和位移。 1998 年在日本應(yīng)用半主動(dòng)變阻尼控制系統(tǒng)，建成的 kajima-shizuoka 建筑物，在實(shí)際小地震中顯示了很好的控制效果。我國學(xué)者孫作玉研究了把一種主動(dòng)變阻尼振動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于高聳建筑的減振，并進(jìn)行了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)控制試驗(yàn)研究?？煽亓黧w阻尼系統(tǒng)可控流體阻尼系統(tǒng)包括

8、磁流變阻尼器和電流變阻尼器，其中的工作介質(zhì)電（磁）流變也是一種可控流體，是用不導(dǎo)電（磁）的母液和分散在其中的固體電解質(zhì)顆粒或帶有磁性的顆粒添加一些穩(wěn)定劑制成的懸浮液。在電（磁）場(chǎng)的作用下兩相電（磁）流變液的顆粒會(huì)形成一條類似纖維狀的鏈，橫架于電（磁）場(chǎng)的正負(fù)兩極板之間，這樣兩相電 （磁） 流變液在電 （磁） 場(chǎng)的作用下就能產(chǎn)生 “固化”現(xiàn)象。磁流變阻尼器由于性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用比電流變阻尼器更加廣泛，目前的研究也集中在對(duì)磁流變阻尼器的研究上。汪志昊和陳政清基于振動(dòng)能量回收技術(shù)構(gòu)建了由旋轉(zhuǎn)式永磁直流電機(jī)與只需較小能量供給的 mr 阻尼器集成的自供電 mr 阻尼器減振系統(tǒng)， 并定性分析了自供電

9、mr 阻尼器被動(dòng)控制的減振機(jī)理。2.3、 被動(dòng)控制分析被動(dòng)控制是在工程結(jié)構(gòu)上添加一個(gè)子系統(tǒng)或者改造結(jié)構(gòu)上的構(gòu)件使其動(dòng)力特性發(fā)生變化的技術(shù)，被動(dòng)控制的特點(diǎn)在于不需要外部能源， 而且構(gòu)造簡單、 成本低、 方便維護(hù)等。被動(dòng)控制按照控制的原理可分為隔振和耗能、吸能減振三方面。首先，隔振分為基礎(chǔ)隔振和層間隔振兩種?；A(chǔ)隔振是通過在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上層結(jié)構(gòu)間安置隔振消能裝置，其作用是減少地震產(chǎn)生的能量傳輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)的上層，以達(dá)到減小上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。間層隔振則是將隔振裝置安置在建筑中間層的柱與樓板間， 作用是消散地震的能量， 減少其能量的傳輸。層間隔震與基礎(chǔ)隔振相比，其不受建筑層高的影響，可以避免建筑移動(dòng)， 但是

10、會(huì)增加隔振層位移和建筑頂層位移。 其次，耗能減振。耗能減振是通過在支撐、剪力墻等結(jié)構(gòu)中安置耗能機(jī)構(gòu)，使耗能機(jī)構(gòu)產(chǎn)生摩擦和彎曲彈塑性滯回變形耗能來耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，減少地震對(duì)建筑的破壞。耗能機(jī)構(gòu)以提高大阻尼的形式在地震中發(fā)生塑性屈服或摩擦滑動(dòng)或克服阻尼力做功，從而減少地震中產(chǎn)生的震動(dòng)能。最后，吸能減振。吸能減震是在建筑中加入某子結(jié)構(gòu)來轉(zhuǎn)移振動(dòng)的位置，使其能量重新分配，以達(dá)到減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。3、土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的發(fā)展前景土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是一門學(xué)科交叉復(fù)雜的新興學(xué)科，其中涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、土木工程、地震工程、材料科學(xué)等多門科學(xué)， 展望其未來發(fā)展前景與方向有以下幾點(diǎn)。 第一，以

11、能量回收為基礎(chǔ)的土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是一個(gè)研究新方向，因?yàn)?，地震發(fā)生時(shí)無法保證充足的外部能源，則主動(dòng)控制系統(tǒng)就會(huì)失去實(shí)際應(yīng)用的意義。而土木工程振動(dòng)控制應(yīng)用能量回收原理就會(huì)解決這一難題。雖然該方向面臨許多未解決的問題，例如高效回收振動(dòng)能量技術(shù)、能量平衡的理論分析等，但是相信這些技術(shù)會(huì)不斷得到解決。第二，被動(dòng)控制技術(shù)規(guī)范化、實(shí)用化。目前的被動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用已較為廣泛，其系統(tǒng)相對(duì)成熟，應(yīng)對(duì)可靠性高、安全性好且經(jīng)過實(shí)際工程驗(yàn)證的被動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)整理規(guī)范，推動(dòng)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。第三，主動(dòng)控制、混合控制技術(shù)、智能控制技術(shù)加強(qiáng)研究實(shí)驗(yàn)。未來土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中主動(dòng)控制中的結(jié)構(gòu)性能可變型（又稱半主動(dòng)控

12、制）和混合控制以及智能控制是未來重要的發(fā)展方向，所以要加強(qiáng)其研究和實(shí)驗(yàn)，保證技術(shù)應(yīng)用的可靠性與安全性，并不斷總結(jié)、完善，以期盡快達(dá)到實(shí)用化的要求。此外，在智能控制中模糊控制可解決瞬間參數(shù)選擇問題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠彌補(bǔ)時(shí)滯效應(yīng)所以需要加大對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制在土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制運(yùn)用方面的研究。 第四， 建立研究結(jié)構(gòu)延性耗能構(gòu)建的力學(xué)模型，通過分析耗能構(gòu)建的一系列指標(biāo)、強(qiáng)度和特性、特征等參數(shù)間的關(guān)系，研究其整體結(jié)構(gòu)的特性，研究出含有新型合理控制裝置的結(jié)構(gòu)體系。4、結(jié)語土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制具有較好的應(yīng)用和發(fā)展前景，會(huì)帶來巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究較復(fù)雜，設(shè)計(jì)多門科學(xué)和技術(shù)，混合控制、智能控制及半主動(dòng)控制將成為未來發(fā)展的重要方向，具有巨大的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1 邱敏，張學(xué)文，陸中