淺談土木工程結構振動控制技術

1、淺談土木工程結構振動控制技術摘要：依據(jù)控制系統(tǒng)與外部能源、結構振動反應信息和動荷載信息之間的關系，結構振動控制可分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制四類。本文探討了土木工程結構振動控制技術。關鍵詞：土木工程；結構；振動；控制；技術結構振動控制技術在機械、宇航、船舶等領域已經(jīng)得到了廣泛應用，而其在土工工程界引起廣泛興趣則始于1972 年美籍華裔學者YaoJ.T.P(姚治平)對結構控制這一概念的首次提出。此后，結構振動控制技術得到了迅速發(fā)展，目前已經(jīng)成為結構工程學科中一個十分活躍的研究領域，被稱為土木工程的高科技領域。 一、土木工程結構振動控制的分類 依據(jù)是否需要外界能源, 結構控制可分為

2、被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制四類。 1、被動控制 被動控制不需要提供外部能量，而通過減震、隔震裝置來消耗或轉(zhuǎn)移振動能量，同時阻止振動在結構中的傳播，它具有構造簡單、造價低、易于維護且無需外界能源支持等優(yōu)點而被廣泛應用。被動控制主要包括基礎隔震、耗能減震和調(diào)諧減震?；A隔震就是在建筑物或構筑物基底設置控制機構來隔離地震能量向上部結構傳輸，使結構振動減輕，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度；能提供較大的阻尼, 具有較大的耗能能力。目前，常見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、懸掛基礎隔震裝置和摩擦隔震裝置等。隔震是發(fā)展最快、最早的結構減震控制方法，它在技術上比較成熟，減震效果明顯，構造簡單，造價經(jīng)濟，理論研究和試驗研究成果也比較豐富和完善，是目前大多數(shù)減震控制結構所采用的方法。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，并能自動復位，又能以較小的屈服后剛度來實現(xiàn)期望的隔震效率。 耗能減震技術是把結構物中的某些構件（如支撐、剪力墻等）設計成耗能部件或在結構物的某些部位（節(jié)點或連接處）設置阻尼器，在小荷載作用下，耗

4、能桿件和阻尼能處于彈性狀態(tài)，在強烈地震作用下，耗能裝置首先進入非彈性狀態(tài)，大量消耗輸入結構的能量，使主體結構避免進入明顯的非彈性狀態(tài)，從而保護主體結構不受破壞。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)諧減震技術是在主體結構中附加子結構，使結構的振動發(fā)生轉(zhuǎn)移，使結構的振動能量在原結構和子結構之間重新分

5、配，從而減小原結構的振動。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)、懸掛結構體系等。 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）是在結構中設置由質(zhì)量、彈性元件和阻尼器組成的裝置，其減震機理是結構振動時TMD 系統(tǒng)將一部分振動能量吸收從而達到減小結構反應的目的。調(diào)諧液體阻尼器（TLD）是一種固定在結構上的具有一定形狀的盛水容器，其減震機理是在結構振動時帶動容器中的液體晃動，液體波與容器箱壁碰撞而產(chǎn)生控制力，同時液體晃動將吸收一部分能量，這兩方面的因素減小了結構的振動反應。 2、主動控制 結構主動控制是利用外部能源( 計算機控制系統(tǒng)或智能

6、材料) , 在結構物受激勵振動過程中, 瞬時施加控制力或瞬時改變結構的動力特性, 以迅速衰減和控制結構振動反應的一種減震技術。主要應用于對抗震抗風要求較高, 要求對多振型進行控制的重要建筑和高層建筑、橋梁、特種結構等。結構主動控制技術無疑是一種比較理想的方法, 它對于提高抵抗地面運動不確定性的能力, 直接減小輸入的干擾力, 以及在地震發(fā)生時連續(xù)自動地調(diào)整結構動力特性的功能等方面均優(yōu)于被動控制方法。雖然主動控制已取得一定的理論研究和試驗研究成果, 減震效果非常明顯有效, 并已在少數(shù)工程中試點應用, 但在技術上還有一些問題尚待解決。目前, 尚未步入技術成熟階段。其主要存在以下問題: （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題尚需進一步解決;（2）突發(fā)地震時外部能源的正常供應問題;（3）設備的常年維護問題;（4）造價昂貴問題;（5）抗震抗風的同時有效控制問題。主動控制根據(jù)控制力是否依賴結構響應或外界激勵可分為:閉環(huán)控制、開環(huán)控制和開閉環(huán)控制。目前研究和工程應用較多的是閉環(huán)控制。根據(jù)控制器的不同, 主動控制又有主動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、主動錨索之分。主動調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)是利用傳感器時刻監(jiān)測結構反應( 位移、速度或加速度) , 并根據(jù)卡提閉環(huán)控制理論,計算機接受傳感器信息并瞬時改變狀態(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)控制力施加于結構, 以控制其運動和變形。主動錨索控制是

8、利用傳感器把結構的反應傳給計算機, 計算機進行優(yōu)化分析計算出所需要的控制力, 驅(qū)動液壓伺服系統(tǒng), 該系統(tǒng)通過錨索對結構施加控制力, 從而有效地減小結構反應。該裝置已被應用到實際結構中, 用于控制風振反應。 3、半主動控制 半主動控制是通過改變結構的動力特性來減震的。1960 年日本Kobor i 最早提出了結構變剛度的概念, 1983 年Hrovat 研究了土木工程結構的半主動控制問題。半主動控制與主動控制相比, 它所需外部能量小得多, 維護要求不高, 更容易實施也更為經(jīng)濟, 而且控制效果又與前者接近, 因此半主動控制具有較大的研究和應用開發(fā)價值。常見的半主動控制系統(tǒng)有主動調(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 混合控制是將主動控制和被動控制同時施加在同一結構上的結構減震控制形式。根據(jù)所起作用的相對大小來看，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，其它部件通過主要部件對結構進行控制；后者是兩種控制各自獨立工作而對結構進行控制；近年研究較多的是以被動控制為主、主動控制為輔的主從組合方式?；旌峡刂瓢ㄖ鲃淤|(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，主動控制與基礎隔震的混合，主動控制與耗能減震的混合，液體質(zhì)量控制系統(tǒng)和主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的混合?；旌峡刂茖⒅鲃涌刂婆c被動控制聯(lián)合

10、應用，可以充分發(fā)揮兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點，克服各自的缺點，只需很小的能量輸入即可得到很好的控制效果。被動控制由于引入主動控制，其控制效果和調(diào)諧范圍有了極大的增強；另一方面，主動控制由于被動控制的參與，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控制有所增強。 二、結構振動控制發(fā)展趨勢及展望 近年來結構的抗震、減振設計概念經(jīng)歷了很大的飛躍，受到了許多領域的專家和學者的高度關注，由被動控制到主動控制，由主動控制到半主動控制和混合控制，進一步向智能化的方向發(fā)展，研究對象也從以前的理想狀態(tài)向?qū)嶋H結構靠近、非線性模型、滯后效應、不確定性因素都逐漸被考慮在內(nèi)。雖然在理論上和實際應用上已經(jīng)取得了

11、不少新的成就，但仍存在許多問題有待深入探討研究： 1、結構控制設計研發(fā)尋求耗能少、造價低、構造簡單、施工方便、可靠性大的被動控制和主動控制系統(tǒng)控制裝置； 2、被動控制裝置系統(tǒng)技術已經(jīng)較為成熟同時在實際工程中已經(jīng)取得了應用效果，應將其進行系統(tǒng)整理，使其逐步實用化、規(guī)范化，以推動其在工程實踐中的廣泛應用； 3、建立研究結構延性耗能構件的力學模型，通過確定延性耗能構件的強度、耗能指標、受力特性、截面特征、配筋方式及數(shù)量等參數(shù)的定量關系，進而對附有延性耗能構件的整體結構進行分析，研究出含有新型合理控制裝置的結構體系； 4、加強關于混合控制和半主動控制裝置的試驗研究及工程試點建筑研究，理論分析的試驗結果有時會與實際情況存在較大誤差，通過試點建筑研究可以檢驗和保證控制裝置的可靠性及實際控制效果，以期達到實用化要求； 5、關于半主動控制和主動控制裝置的實驗研究以及作動器、傳感器的數(shù)量、位置和控制參數(shù)的優(yōu)化研究，達到結構振動控制的最理想效果，以實現(xiàn)結構控制“智能化”的要求。 參考文獻： 【1】 黃大宇. 結構振動控制的研究進展與展望. 中原工學院學報, 2009,(04) . 【2】 李浩久,強文博,師小燕. 結構振動控制的發(fā)展和現(xiàn)狀. 四川建筑, 2009,