土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的研究進展

張尉

摘要：緊跟著信息技術(shù)的進步，信號處理和采集技術(shù)以及傳感技術(shù)都取得一定的發(fā)展，尤其是土木工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)的研究目前已經(jīng)獲得一定的成功，對應(yīng)的技術(shù)也在實踐中得到廣泛應(yīng)用。本文主要闡述了土木工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)的實情，并對其進行了合理的介紹。

關(guān)鍵詞：土木工程;結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù);實情

1.土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的相關(guān)內(nèi)容

對于減振結(jié)構(gòu)來說，主要是土木工程結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力裝置，通過在這個裝置中裝備相關(guān)的零件來促使減振目標的實現(xiàn)。當土木工程結(jié)構(gòu)受到一定破壞的時候，相關(guān)的裝置就會具備一定的彈塑性，從而能夠有效的對受到破壞的時候所產(chǎn)生的能量進行消耗以及吸收，同時也能避免對土木工程機構(gòu)產(chǎn)生巨大的影響，從而能夠滿足減振的要求。

2.土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的分類

依據(jù)是否需要外界能源，結(jié)構(gòu)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。

2.1、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(jié)構(gòu)中的傳播，它具有構(gòu)造簡單、造價低、易于維護且無需外界能源支持等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。被動控制主要包括基礎(chǔ)隔震、耗能減震和調(diào)諧減震?；A(chǔ)隔震就是在建筑物或構(gòu)筑物基底設(shè)置控制機構(gòu)來隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸，使結(jié)構(gòu)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。

調(diào)諧減震技術(shù)是在主體結(jié)構(gòu)中附加子結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)的振動發(fā)生轉(zhuǎn)移，使結(jié)構(gòu)的振動能量在原結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)之間重新分配，從而減小原結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系等。

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）是在結(jié)構(gòu)中設(shè)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(jié)構(gòu)振動時TMD系統(tǒng)將一部分振動能量吸收從而達到減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的。調(diào)諧液體阻尼器（TLD）是一種固定在結(jié)構(gòu)上的具有一定形狀的盛水容器，其減震機理是在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)。

2.2、主動控制

（1）控制系統(tǒng)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(yīng)問題;（3）設(shè)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(jié)構(gòu)響應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)反應(yīng)（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(jié)構(gòu)，以控制其運動和變形。主動錨索控制是利用傳感器把結(jié)構(gòu)的反應(yīng)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(jié)構(gòu)施加控制力，從而有效地減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)。該裝置已被應(yīng)用到實際結(jié)構(gòu)中，用于控制風振反應(yīng)。

2.3、半主動控制

半主動控制是通過改變結(jié)構(gòu)的動力特性來減震的。1960年日本Kobori最早提出了結(jié)構(gòu)變剛度的概念，1983年Hrovat研究了土木工程結(jié)構(gòu)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(yīng)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)、可變剛度系統(tǒng)、可變阻尼系統(tǒng)、變剛度變阻尼系統(tǒng)等。

2.4、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(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行控制;后者是兩種控制各自獨立工作而對結(jié)構(gòu)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。

3.結(jié)構(gòu)振動控制發(fā)展趨勢及展望

近年來結(jié)構(gòu)的抗震、減振設(shè)計概念經(jīng)歷了很大的飛躍，受到了許多領(lǐng)域的專家和學者的高度關(guān)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(jié)構(gòu)靠近、非線性模型、滯后效應(yīng)、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(yīng)用上已經(jīng)取得了不少新的成就，但仍存在許多問題有待深入探討研究：

1、結(jié)構(gòu)控制設(shè)計研發(fā)尋求耗能少、造價低、構(gòu)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(shù)已經(jīng)較為成熟同時在實際工程中已經(jīng)取得了應(yīng)用效果，應(yīng)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(yīng)用;

3、建立研究結(jié)構(gòu)延性耗能構(gòu)件的力學模型，通過確定延性耗能構(gòu)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(guān)系，進而對附有延性耗能構(gòu)件的整體結(jié)構(gòu)進行分析，研究出含有新型合理控制裝置的結(jié)構(gòu)體系;

4、加強關(guān)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(jié)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(guān)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(jié)構(gòu)振動控制的最理想效果，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制“智能化”的要求。

4.結(jié)語

綜上所述，一定要加大對土木工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)的研究，從而能夠不斷滿足社會的發(fā)展要求。同時，對于當前的結(jié)構(gòu)振動控制而言，一定要加大對穩(wěn)定性高、能耗少、造價低的控制裝置進行研究，從而能夠推動結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)在相關(guān)的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。