探析建筑結(jié)構(gòu)振動控制技術現(xiàn)狀與展望

宋富國

摘要：建筑工程中傳統(tǒng)的防震技術的作用效果和安全性能十分有限，如果地震發(fā)生，結(jié)構(gòu)無法支持，很有可能破壞嚴重，甚至帶來極為嚴重的生命財產(chǎn)損失。因此，建筑工程結(jié)構(gòu)振動控制技術的研究發(fā)展十分重要。

關鍵詞：工程結(jié)構(gòu)；控制結(jié)束；現(xiàn)狀；展望

中圖分類號：TU352.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3024（2016）08-151-01

前言

隨著科學技術的不斷進步，人類在抵抗各種自然災害的問題上也取得了一定的進步。然而在偉大的自然面前，人類仍舊渺小，我們需要更加先進的技術和更加完備的設施來抵抗災害的侵襲，傳統(tǒng)的建筑防震技術的作用效果和安全性能十分有限，如果地震發(fā)生，結(jié)構(gòu)無法支持，很有可能破壞嚴重，甚至帶來極為嚴重的生命財產(chǎn)損失。因此，建筑工程結(jié)構(gòu)振動控制技術的研究發(fā)展十分重要。

1建筑工程結(jié)構(gòu)的減振工作原理

對于消耗能量的減振結(jié)構(gòu)而言，具體是指土木工程結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力裝置，在該裝置內(nèi)部安裝有效能量消耗零部件，進而實現(xiàn)減振目的。如果土木工程結(jié)構(gòu)遭遇地震并受到能量侵蝕，能量消耗零部件及其裝置會產(chǎn)生彈塑性，滯回變形，以此來吸收和消耗因地震所帶來的能量，并減小對土木工程結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)的影響程度，進而實現(xiàn)減振和震動控制的目的。由此可知，減振工作原理與傳統(tǒng)正好相反，這也是技術領域中的突破性成就。其主要的工程結(jié)構(gòu)振動控制原理。

2結(jié)構(gòu)振動控制技術的研究現(xiàn)狀

（1）被動控制是通過改變建筑結(jié)構(gòu)自身一些構(gòu)件的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)體系的動力學特征，或者在結(jié)構(gòu)的某個部位附加一個子系統(tǒng)，來實現(xiàn)減振的目的一種不需要外部能源的結(jié)構(gòu)控制技術。由于其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、易于維護且無需外部能源支持，目前已成為建筑與結(jié)構(gòu)設計的熱點，許多實際工程中也已經(jīng)廣泛應用。被動技術主要包括基礎隔振技術和耗能吸能減振技術。

基礎隔振是在結(jié)構(gòu)的上部與基部之間設置一種隔振消能裝置的控制技術，是被動控制的一種，它主要通過減小地震時向地表傳輸?shù)哪芰浚瑏頊p小結(jié)構(gòu)的振動。基礎隔振能明顯降低結(jié)構(gòu)的自身振動頻率，非常適用于中低層建筑，但由于隔振只對高頻率的地震波有效用，所以對高層建筑并不適用。

吸能減振是通過附加子結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)的振動位移，能量重新分配，從而減小結(jié)構(gòu)振動。耗能減振是在結(jié)構(gòu)體的某些部位，如節(jié)點和支撐部等設置耗能阻尼機構(gòu)。繼而通過這種機構(gòu)對結(jié)構(gòu)施加控制力，快速減小結(jié)構(gòu)振動。耗能減振和吸能減振的裝置主要有摩擦阻尼器、粘性液體阻器、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、金屬屈服阻尼器、質(zhì)量泵和液壓質(zhì)量控制系統(tǒng)等。

（2）主動控制是一種需要外部能量供給的控制技術。主動控制裝置通常由傳感器、計算機、驅(qū)動設備三部分組成，傳感器用來監(jiān)測外部激勵或結(jié)構(gòu)響應，計算機根據(jù)選擇的控制算法處理監(jiān)測的信息及計算所需的控制力，驅(qū)動設備根據(jù)計算機的指令產(chǎn)生需要的控制力。對于控制方式尤其是控制裝置而言，現(xiàn)應用于土木工程結(jié)構(gòu)中的主動控制系統(tǒng)有：

a.主動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器是將調(diào)諧質(zhì)量阻尼器與電液伺服助動器連接，構(gòu)成一個有源質(zhì)量阻尼器，因質(zhì)量運動所產(chǎn)生的主動控制力和慣性力都能有效地減小結(jié)構(gòu)的振動反應。b.主動拉索控制裝置是利用拉索分別連接著伺服機構(gòu)和結(jié)構(gòu)的適當位置，伺服機構(gòu)產(chǎn)生的控制力由拉索實施于結(jié)構(gòu)上以減小結(jié)構(gòu)的振動反應。c.擋風板控制裝置是通過在建筑物頂部設置可以閉合和張開的擋風板，根據(jù)結(jié)構(gòu)反應的變化情況，合理地調(diào)節(jié)擋風板的受風面積，利用風力本身來控制結(jié)構(gòu)的反應，

（3）混合控制是相對于被動控制和主動控制而言的研究新突破。它將被動控制和主動控制有機結(jié)合到同一建筑工程中。使二者協(xié)調(diào)起來共同工作。將二者結(jié)合起來看似簡單，實則需要無數(shù)次的嘗試與磨合。此系統(tǒng)充分融合了被動控制系統(tǒng)與主動控制系統(tǒng)的優(yōu)點，既可以通過被動控制系統(tǒng)卸掉震動能，又可以利用主動控制系統(tǒng)來增強控制效果，因此有很好的建筑工程應用價值。目前混合控制所用的控制裝置已有許多種類，其迅猛發(fā)展的勢頭銳不可當。

（4）結(jié)構(gòu)控制研究中的待解決問題經(jīng)過多年以來的刻苦研究和辛勤實踐。結(jié)構(gòu)的抗震、減振設計研究取得了飛躍性的成就，也受到了更多各領域科研工作者們的關注與重視。然而科學研究不能一蹴而就，科技發(fā)展也并非是朝夕之事。在看似成果斐然的土木工程結(jié)構(gòu)振動控制領域取得的成就背后，仍有許多技術不成熟之處，這些問題猶待解決，如從控制器設計角度的建模工程與模型的簡化：如何降低能耗和造價，使工程簡便且不失可靠性和安全心。

3振動控制技術的展望

近年來建筑工程結(jié)構(gòu)振動控制技術得到了全面迅猛的發(fā)展，呈現(xiàn)出一派生機勃勃的發(fā)展勢頭。在今后一段時期內(nèi)，結(jié)構(gòu)控制技術的發(fā)展趨勢將是被動控制技術規(guī)范化與實用化和加強對半主動控制和混合控制技術的實驗研究以及試點工程的研究。盡管在我國目前的建筑建筑工程領域中，結(jié)構(gòu)控制技術基本上還僅僅應用于高層建筑結(jié)構(gòu)設計之中，但隨著我國高層建筑特別是超高層建筑的飛速發(fā)展，必將給結(jié)構(gòu)振動控制技術帶來更為廣闊的發(fā)展空間。因此，由于建筑工程結(jié)構(gòu)振動控制技術自身所具有極為明顯的優(yōu)勢，其未來擁有良好的應用前景是毋須置疑。

4結(jié)束語

建筑工程結(jié)構(gòu)振動控制的研究與應用有著十分廣闊的廣泛的發(fā)展與應用前景，它的研究和發(fā)展將會給建筑工程結(jié)構(gòu)領域的抗震、抗風等抵抗不可抗力災害的建筑設計帶來一場前所未有的歷史性革命。近年來土木工程結(jié)構(gòu)振動控制技術的研究與應用已取得了長足的發(fā)展與進步，我們對建筑工程結(jié)構(gòu)振動控制技術未來的成就十分期待。