土木工程結(jié)構(gòu)抗震的SMA被動阻尼設計

韓秀龍

【摘? 要】在土木工程建設的過程中，必須要注意地震對建筑的影響，因此，增強土木工程結(jié)構(gòu)震動控制技術(shù)是建筑業(yè)必須要考慮的問題。本文進一步分析了土木工程結(jié)構(gòu)震動控制技術(shù)的發(fā)展，以供同仁參考借鑒。

【關鍵詞】土木工程;結(jié)構(gòu);震動;控制技術(shù)

1 土木工程結(jié)構(gòu)震動控制原理

土木工程結(jié)構(gòu)減震技術(shù)的運用，主要是在建筑結(jié)構(gòu)的修建過程中，在一些特定的位置進行防震控制裝備的安裝與設置，一旦防震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)震動現(xiàn)象，突然施加的外來壓力會將建筑結(jié)構(gòu)中的動力作用或者動力特性進行改變，進而使防震結(jié)構(gòu)的振動反應有效降低，采用合理的控制方式降低土木工程建筑結(jié)構(gòu)在地震災害中受到的損害程度，保證土木建筑結(jié)構(gòu)具備一定的安全性能。若想進一步將結(jié)構(gòu)震動反應減小，就動力學的角度而言，其一，應對消震進行綜合考慮，采用一定的措施，控制地震輸入結(jié)構(gòu)，就現(xiàn)在的基本狀況看來，這一方式難以直接實現(xiàn);其二，在一定程度上縮減建筑工程整體的慣性力，以動力學中的基本原理作為依據(jù)，如果在建筑結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)相對較大的自振周期，其獲取的加速度就會明顯下降，故而可運用防震手段減小土木結(jié)構(gòu)整體的慣性力;其三，運用增加建筑結(jié)構(gòu)阻尼的手段，進行全面的防震，并進一步降低建筑結(jié)構(gòu)受到的地震損害;其四，運用手動添加建筑構(gòu)件的手段，在一定程度上消耗掉塑性變形的部分能量，并保證建筑結(jié)構(gòu)的完整性以及安全性。

2 土木工程中結(jié)構(gòu)震動控制技術(shù)方法分析

按照建筑防震技術(shù)劃分，可將土木結(jié)構(gòu)控制的手段分為被動控制手段以及主動控制手段，半主動控制手段以及混合控制手段等。

2.1 主動控制方法

主動控制的研究主要包括兩個方面，一是主動控制算法的運用處理，二是主動控制裝置的開發(fā)與應用。結(jié)構(gòu)主動控制算法依然是使用現(xiàn)代控制理論之中的算法作為依據(jù)，然后根據(jù)土木工程結(jié)構(gòu)自身的特點而做出一些特殊的處理。目前，廣泛使用的主動控制算法有：經(jīng)典線性主要有最優(yōu)控制法、瞬時最優(yōu)控制法、隨機最優(yōu)控制法、極點配置法、預測控制法、滑動模態(tài)控制法、模糊控制法以及神經(jīng)網(wǎng)絡控制法。結(jié)構(gòu)主動控制的研究主要涉及到控制理論、隨機振動、結(jié)構(gòu)工程、材料科學、機械工程、計算機科學、振動測量、數(shù)據(jù)處理以及自動控制技術(shù)等等，具備一定的綜合性。當前，它的研究主要是使用理論分析以及數(shù)據(jù)模擬分析作為主要方法。

雖然主動控制的研究取得了一定的成就，但是主動控制技術(shù)并不完全成熟。從現(xiàn)有研究來看，主動控制技術(shù)在可行性上還存在一定的限制因素。主要集中表現(xiàn)在四個方面：（1）主動控制系統(tǒng)在地震之中運作的問題。（2）時滯方面的問題。主動控制系統(tǒng)在工作的時候，因為在信號處理、運算、電液伺服等動作都需要相應的時間，因此產(chǎn)生了時間滯后這個不可避免的問題。（3）能量問題。主動控制系統(tǒng)的運作主要是依靠外部能源的輸入，而在地震之中確保能源的相對可靠成為值得思考的關鍵問題。（4）設備維護的問題。通常生命線工程的大跨度橋梁的使用壽命是幾十年，有的甚至要達到上百年，與此同時，主動控制系統(tǒng)也要在這段時間之內(nèi)保持功能的完備。如何確保系統(tǒng)的完善，尤其是作為核心構(gòu)件的計算機，其使用性能的保障工作成為亟待解決的問題之一。

2.2 被動控制方法

被動控制主要是進行基礎隔震和耗能減震。基礎隔震就是在上部結(jié)構(gòu)以及基礎之間設置水平柔性層，從而使結(jié)構(gòu)側(cè)向振動的基本周期延長，進而減小水平地震地面運動對上部結(jié)構(gòu)的作用?；A隔震的研究核心是研究開發(fā)出性能卓越并且價格低廉的隔震裝置。在現(xiàn)階段，基礎隔震的使用已經(jīng)相當廣泛，隔震結(jié)構(gòu)的分析、設計方法也日益成熟。從世界范圍來看，已經(jīng)有成千上萬座隔震建筑以及橋梁建設完工，這些工程在實際的地震經(jīng)歷當中，都表現(xiàn)出了良好的減震效果。耗能減震則是在結(jié)構(gòu)中設置非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能元件，其減震原理是：在結(jié)構(gòu)振動的作用之前，耗能元件可以被動地往復相對變形或者在耗能元件之間產(chǎn)生往復運動的相對速度，通過這個方式能夠消散結(jié)構(gòu)振動的能量，進而減輕結(jié)構(gòu)的動力反應。

2.3 半主動控制方法

半主動控制方法既有被動控制系統(tǒng)的可靠性，同時又具備主動控制系統(tǒng)的超強適應性，而且造價比較合適，因此在未來的使用上具有相當廣闊的發(fā)展前途。半主動控制主要包括兩種類型：主動變剛度控制系統(tǒng)和主動變阻尼控制系統(tǒng)。主動變剛度系統(tǒng)主要是通過主動變剛度控制裝置來使得受控結(jié)構(gòu)的剛度，在每一個采樣周期之內(nèi)依據(jù)外荷載的頻譜特性，而在不同的剛度值之間進行切換，這樣則可以使得受控結(jié)構(gòu)在每一采樣周期之內(nèi)都可以遠離共振狀態(tài)，實現(xiàn)減振的目的。主動變阻尼控制系統(tǒng)則是通過控制裝置來使受控結(jié)構(gòu)的阻尼，可以在每一采樣周期之內(nèi)獲得不同的阻尼狀態(tài)之間來進行切換，從而達到減震的目的。

3 土木工程結(jié)構(gòu)震動控制技術(shù)的發(fā)展策略

3.1 合理設計隔震及消能減震項目

地震常發(fā)帶對土木工程的抗震能力要求非常高，土木工程不僅要具備基本的抗震能力還應該具有隔震和消能減震的作用。因此，土木工程研究人員應該在選址期間確保地基的密實性和穩(wěn)定性，從根本上降低地震對建筑物整體質(zhì)量的影響。另外，研究人員還應該結(jié)合建筑物自身存在差異，明確各建筑物的隔震系數(shù)，選擇合適的隔震支座，提高建筑物的抗震性能。最后，研究人員還應該設計合適的隔震和抗震構(gòu)建，明確建筑用材的延性，減小地震對建筑物的破壞。

3.2 關注建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則特性

實際施工中，為提高土木工程的抗震能力，施工人員還應該更高度關注建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則特性。土木工程結(jié)構(gòu)設計人員應該盡量選擇最簡單的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，與此同時確保結(jié)構(gòu)的規(guī)律特性，在實際施工過程中，在合理分布建筑物承載能力的同時，還能提高建筑物的穩(wěn)定性和牢固性。如果土木工程的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，施工時鋼心和建筑物結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)嚴重的交錯現(xiàn)象，一旦發(fā)生地震建筑物架構(gòu)將出現(xiàn)嚴重偏離，整體強度降低后土木工程的穩(wěn)定性也隨之降低。因此，設計人員應該關注建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則特性，減少因建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則引發(fā)的地震災害。

3.3 合理選擇建筑結(jié)構(gòu)原材料

合理選擇建筑結(jié)構(gòu)原材料是提高建筑物整體質(zhì)量的基礎保障。鋼筋材料在土木工程施工中使用范圍非常廣，鋼筋材料的質(zhì)量直接決定建筑物的整體抗震能力。因此，施工人員應該結(jié)合建筑施工的實際狀況，選擇合適的材料，在考慮鋼筋韌性的同時還應該充分考慮鋼筋的受力方向與豎直方向。在選取土木工程施工中使用其他材料時，施工人員在考慮材料抗震性能的同時還應該注重成本控制，從根本上為土木工程的發(fā)展提供動力。

4 結(jié)束語

相關工作人員應不斷提高自身的專業(yè)技能及綜合素養(yǎng)，由整體角度設計土木工程項目的抗震性能，從而提高建筑項目的施工質(zhì)量，保障人們的生命、財產(chǎn)安全。因此，對土木工程結(jié)構(gòu)中的抗震技術(shù)發(fā)展進行探討是值得相關工作人員深入思考的事情。

參考文獻：

[1]黃永林.基礎隔震研究與應用的回顧與前瞻[J].地震學刊，2012（04）.

[2]杜琨.振動控制技術(shù)在土木結(jié)構(gòu)工程中的應用[J].安徽建筑，2013（03）.