淺談土木工程中及振動控制

1、.<B style='color:black;background-color:#ffff66'>淺談</B>土木工程中的振動控制 結(jié)構(gòu)控制可能是徹底解決這一問題的方法, 通過在結(jié)構(gòu)上設置控制機構(gòu), 由控制機構(gòu)與結(jié)構(gòu)共同控制抵御地震動等動力荷載, 使結(jié)構(gòu)的動力反應減小。結(jié)構(gòu)控制是人的主觀能動性與自然的高度結(jié)合, 是結(jié)構(gòu)對策的新的里程碑。 結(jié)構(gòu)控制按是否需要外部能源和激勵以及結(jié)構(gòu)反應的信號, 可以分為被動控制、主動控制、混合控制和半主動控制。 被動控制研究 結(jié)構(gòu)被動控制一般是指在結(jié)構(gòu)的某個部位附加一個子系統(tǒng), 或?qū)Y(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件做構(gòu)造上的處理以改變結(jié)構(gòu)

2、體系的動力特性。被動控制因其構(gòu)造簡單, 造價低, 易于維護且無需外界能源支持等優(yōu)點而引起了廣泛的關(guān)注, 并成為當前應用開發(fā)的熱點。許多被動控制技術(shù)已日趨成熟, 并已在實際工程中應用。下面簡要介紹這些控制技術(shù)和裝置。 1、基礎(chǔ)隔震體系 基礎(chǔ)隔震體系是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設置某種隔震消能裝置, 以減小地震能量向上部的傳輸, 達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。隔震裝置必須具備下面三項特性: 1 具有較大的變形能力; 2 具有足夠的初始剛度和強度; 3 提供較大的阻尼, 具有較大的耗能能力。 基礎(chǔ)隔震能顯著地降低結(jié)構(gòu)的自振頻率, 適用于短周期的中低層建筑和剛性結(jié)構(gòu)。由于隔震僅對高頻地震波有效, 因此對高層和超高

3、層建筑不太適用。另外, 橡膠隔震墊的老化和耐久性問題 , 以及隔震效果的定量設計問題還有待于進一步的研究。基礎(chǔ)隔震是當前應用最廣泛, 也是最成熟的一項技術(shù)。 一些研究和應用較廣的隔震裝置有: 1. 夾層橡膠墊隔震裝置; 2. 滾珠 或滾軸 加鋼板消能裝置;3. 粉粒墊層隔震裝置; 4. 鉛塞滯變阻尼器隔震裝置; 5. 鋼滯變阻尼器隔震裝置; 6. 基底滑移隔震裝置; 7. 懸掛基礎(chǔ)隔震裝置; 8. 混合隔震裝置等; 2、消能減震體系 消能減震體系是把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件設計成消能元件, 或在結(jié)構(gòu)物的某些部位裝設阻尼器。在風載或小震時, 這些消能構(gòu)件與阻尼器仍處于彈性狀態(tài), 結(jié)構(gòu)體系仍具有足夠

4、的側(cè)向剛度以滿足正常使用要求; 在強風或強震作用下, 消能元件或阻尼器首先進入非彈性狀態(tài), 產(chǎn)生較大的阻尼, 大量耗散能量, 使主體結(jié)構(gòu)的動力反應減小。 消能減震體系按其消能裝置的不同, 可分為兩類: 1 消能構(gòu)件減震體系: 利用結(jié)構(gòu)的非承重構(gòu) 件作為消能裝置的結(jié)構(gòu)減震體系, 常用的消能構(gòu)件有: a 消能支撐: 包括方框消能支撐、圓形消能支撐、K形偏心消能支撐等。 b 消能剪力墻 : 有橫縫剪力墻、豎縫剪力墻、周邊縫剪力墻和阻尼器剪力墻等。 2 阻尼器消能減震體系: 強震時通過阻尼器耗散能量。 a 摩擦阻尼器: 利用摩擦力做功耗散能量。 b 金屬阻尼器: 利用某些金屬具有的彈塑性滯回變形耗能,

5、 包括軟鋼耗能裝置、鉛擠壓阻尼器、記憶合金 SMA 耗能器。 c 粘性和粘彈性阻尼器 : 利用阻尼器材料分子的相對錯動摩擦耗能。 消能減震體系適用于高層建筑、超高層建筑和高聳構(gòu)筑物, 對抗震和抗風都有效,而且性能可靠; 但裝設數(shù)量少時作用不大, 數(shù)量多時造價顯著增加。對消能減震體系的計算, 目前也尚未建立起較為成熟通用的方法。 3、調(diào)諧質(zhì)量阻尼振動控制系 TMD TMD 系統(tǒng)是在結(jié)構(gòu)頂層加上慣性質(zhì)量, 并配以彈簧和阻尼器與主結(jié)構(gòu)相連, 應用共振原理, 對結(jié)構(gòu)的某一振型加以控制。通常慣性質(zhì)量可以是高層或高聳結(jié)構(gòu)的水箱、機房或旋轉(zhuǎn)餐廳。由于TMD 能有效地衰減結(jié)構(gòu)的動力反應, 安全、經(jīng)濟, 已被廣

6、泛用作高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)及大跨橋梁的抗震抗風裝置。TMD 不僅可用于新建建筑, 而且通過“加層減震”技術(shù)可以改善已有房屋的耐震性能。 TMD 體系有三種: 1 支承式; 2 懸吊式; 3 碰擊式。 1、 支承式TMD 滑塊的啟動存在著嚴重的時間滯后, 而且地震能量密度譜較寬, 因此TMD 抗震效果不如抗風效果好。 2、目前有一種帶杠桿和擺的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 TMDL P , 該控制系統(tǒng)能顯著降低高層建筑的水平位移、扭轉(zhuǎn)位移和加速度反應, 而且其調(diào)諧質(zhì)量塊在地震激勵下的位移比TMD 的位移小。該系統(tǒng)可以通過在結(jié)構(gòu)的頂層設置多個擺, 用以控制高層建筑或高聳結(jié)構(gòu)的前幾階振型。 4、調(diào)諧液體阻尼振動控制

7、系統(tǒng) TLD TLD 同樣采用共振原理, 依靠液體的振蕩來吸收和消耗主結(jié)構(gòu)的振動能量, 減小結(jié)構(gòu)的動力反應。 TLD 系統(tǒng)相對于TMD 造價較低, 不需要特別的裝置, 對容器的形狀也無特殊的限制, 不需要維修, 可以方便地設置在已有建筑之上, 并可兼作水箱之用。 與TMD 一樣, TLD 一般也僅適用于抗風。由于風與地震不一定存在共同的有效的減振頻帶, 調(diào)諧被動控制用于抗震時甚至可能會出現(xiàn)負效應。 5、質(zhì)量泵 質(zhì)量泵是一種液體質(zhì)量阻尼器, 通過導管中液體往復流動時的慣性和粘性來消耗能量。質(zhì)量泵只需很少的液體便可發(fā)揮較大的等效質(zhì)量和等效阻尼的作用。用質(zhì)量泵能消除結(jié)構(gòu)的鞭梢效應。在結(jié)構(gòu)的風振反應中

8、, 質(zhì)量泵能有效地減小高層建筑結(jié)構(gòu)頂層加速度反應, 但對減小基底剪力和頂層位移反應效果不明顯; 抗震時, 質(zhì)量泵對高振型效果較好, 但對第一振型影響不顯著。 6、液壓- 質(zhì)量振動控制系統(tǒng) HMS HMS 系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)和質(zhì)量塊組成。當結(jié)構(gòu)振動時, 液體和質(zhì)量塊隨之振動, 從而耗散和吸收振動能量, 實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的減振作用。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉和易于應用等特點, 而且控制效果較好。用HMS 系統(tǒng)控制底層柔性結(jié)構(gòu)柔性底層的地震反應, 同時使上部結(jié)構(gòu)的底層位移反應減小, 而且能夠滿足底層大空間的建筑功能要求。 此外, 還有一些被動控制體系, 如拉索系統(tǒng)、懸掛結(jié)構(gòu)體系、多結(jié)構(gòu)聯(lián)系振動控制系統(tǒng)、柔性

9、層體系等。 7、被動控制有待研究的問題 被動控制系統(tǒng)不需要外部能源, 一般只對某種設定的地震動特征進行控制, 缺乏跟蹤和調(diào)節(jié)的能力。其效果明顯依賴于輸入激勵的頻譜特性和結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。目前對于被動控制的研究主要存在下面幾個問題 : 1 被動控制裝置的研究: 一方面研究新的、有效的、經(jīng)濟效益好的被動控制裝置。另一方面對現(xiàn)有的被動控制裝置進行研究, 消除其局限性, 擴大其適用范圍; 2 被動控制裝置耐久性的研究及其材料性能的研究; 3 被動控制減震效果的定量設計控制問題; 4 被動控制系統(tǒng)的可靠性研究: 包括結(jié)構(gòu)自身可靠性與控制器可靠性的研究; 5 被動控制裝置的安裝、維修與更換; 6 被動控制的

10、應用開發(fā)研究: 包括編制我國的減震技術(shù)規(guī)程, 進一步推廣并正確指導應用減震技術(shù)。 主動控制研究 主動控制是應用現(xiàn)代控制技術(shù), 對輸入地震動和結(jié)構(gòu)反應實現(xiàn)聯(lián)機實時跟蹤和預測, 并通過作動器對結(jié)構(gòu)施加控制力來改變結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)特性, 使結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)性能滿足一定的優(yōu)化準則, 以達到減小或抑制結(jié)構(gòu)地震反應的控制方法。由于實時控制力可以隨輸入地震改變, 其控制效果基本上不依賴于地震波的特性, 因此明顯優(yōu)于被動控制。 結(jié)構(gòu)主動控制的研究涉及控制理論、隨機振動、結(jié)構(gòu)工程、材料科學、生物科學、機械工程、計算機科學、振動測量、數(shù)據(jù)處理和自動控制技術(shù), 是一門交叉學科。主動控制通常包括兩類基本控制方式: 開環(huán)控制和閉環(huán)

11、控制。 開環(huán)控制方法是直接對系統(tǒng)擾動輸入進行量測, 根據(jù)系統(tǒng)擾動輸入的情況綜合出控制律。開環(huán)控制的在線計算量較小, 對系統(tǒng)元件的精度要求較高, 抗干擾力差。 主動閉環(huán)控制法是通過適當?shù)南到y(tǒng)狀態(tài)反饋或輸出反饋, 產(chǎn)生一定的控制作用, 從而控制結(jié)構(gòu)的振動。閉環(huán)控制的在線計算量較大, 但具有較高的擾干擾的能力, 對控制元件的要求也不高, 而且能保持連續(xù)地對較高控制效果進行監(jiān)測。 目前對主動控制的研究多集中在理論領(lǐng)域, 提出了相當多的控制算法。 主動控制算法 土木工程中應用的主動控制算法最初直接引用了現(xiàn)代控制理論的一般結(jié)果, 如經(jīng)典線性最優(yōu)控制法等, 這些算法目前仍是主動控制算法建立的依據(jù)。也有一些是

12、根據(jù)土木工程的特點, 專門用于土木工程的主動控制算法, 如瞬時最優(yōu)控制算法等。 1 經(jīng)典線性最優(yōu)控制法 該算法基于現(xiàn)代控制理論, 以線性二次型性能指標為目標函數(shù)來確定控制力與狀態(tài)向量之間的關(guān)系式。目標函數(shù)中用權(quán)矩陣來協(xié)調(diào)經(jīng)濟性與安全性之間的關(guān)系, 需求解Riccati 方程。由于該算法忽略了荷載項, 嚴格說來, 由它得到的控制不是最優(yōu)控制;但數(shù)值分析和有限的試驗證明, 這一控制算法雖然不是最優(yōu)的, 但是可行的和有效的。 2 瞬時最優(yōu)控制算法 該算法以瞬時狀態(tài)反應和控制力的二次型作為目標函數(shù), 在動荷載作用的時間范圍內(nèi), 每一瞬時都實現(xiàn)其目標函數(shù)最小化。該算法不需求解Riccati 方程, 計算

13、量減小;增益矩陣與受控結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)特性無關(guān), 控制系統(tǒng)的魯棒性能較好; 具有時間步進性, 可推廣用于非線性、時變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。但該算法只是一種局部最優(yōu)控制算法, 從控制結(jié)構(gòu)最大反應這個意義上講, 仍然不是最優(yōu)控制。 3 極點配置法 在狀態(tài)空間里, 系統(tǒng)矩陣決定系統(tǒng)的動態(tài)特性。可通過選擇適當?shù)脑鲆婢仃? 使閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性取得滿足設計者要求的預期值, 這就是極點配置法。極點配置法在僅考慮對結(jié)構(gòu)反應影響較大的少數(shù)幾階振型時, 可以很容易實現(xiàn)。但這種方法所選擇的增益矩陣通常都不是唯一的。因此極點配置法得出的控制律也不是最優(yōu)的, 但該算法較為簡單、易行。 4 獨立模態(tài)空間控制法 獨立模態(tài)空間控制法是基于振動體系振型分解的概念建立的, 多個自由度體系的運動方程由正交原理可分解為個獨立的對應不同模態(tài)的單自由度運動方程, 對各模態(tài)可分別進行控制設計。對于求出的模態(tài)控制作用通過模態(tài)的參與矩陣進行線性變換, 由模態(tài)控制作用得出結(jié)構(gòu)控制作用。為了節(jié)省時間, 控制設計可只針對幾個主要振型進行。 該算法的