土木工程結(jié)構(gòu)減震控制方法

茍永學

摘要：近幾年來，結(jié)構(gòu)振動控制的理論和技術(shù)日益引人注目，特別是在土木工程的結(jié)構(gòu)設計中，一種以減震為手段的設計已在國內(nèi)外一些地震多發(fā)地區(qū)得到了應用，本文分析了土木工程結(jié)構(gòu)減震的控制方法。

關(guān)鍵詞：土木結(jié)構(gòu)；減震；控制方法

中圖分類號： TQ336.4+2文獻標識碼： A

一、結(jié)構(gòu)減震控制的概念及分類

應用結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是解決結(jié)構(gòu)工程安全性問題的一個可替代的方法，從而為結(jié)構(gòu)控制理論在土木工程中的應用指出了光明的前景。結(jié)構(gòu)控制的概念可以簡單表述為： 通過對結(jié)構(gòu)施加控制機構(gòu)， 由控制機構(gòu)與結(jié)構(gòu)共同承受振動作用， 以調(diào)諧和減輕結(jié)構(gòu)的振動反應， 使其在外界干擾作用下的各項反應值被控制在允許范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)減震控制根據(jù)是否需要外部能源輸入可分為被動控制、主動控制和混合控制。被動控制是指不需要能源輸入提供控制力， 控制過程不依賴于結(jié)構(gòu)反應和外界干擾信息的控制方法。文中所討論的基礎隔震、耗能減震等均為被動控制。

二、土木工程結(jié)構(gòu)減震的控制方法

1、被動控制

結(jié)構(gòu)被動控制是指控制裝置不需要外部能源輸入的控制方式。其特點是采用隔震、耗能減震和吸能減振等技術(shù)消耗振動能量,以達到減小結(jié)構(gòu)振動反應的目的。被動控制的優(yōu)點是構(gòu)造簡單、造價低、易于維護,并且不需要外部能源支持等。目前,被廣泛采用的被動控制裝置有:

1.1基礎隔震體系。基礎隔振是在上部結(jié)構(gòu)與基礎之間設置某種隔振消能裝置,以減小地震能量向上部的傳輸,從而達到減小上部結(jié)構(gòu)振動的目的。

基礎隔振能顯著降低結(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)。由于隔振僅對高頻地震波有效,因此對高層建筑不太適用。

1.2耗能減振體系。常用的耗能元件有耗能支撐和耗能剪力墻等;常用的阻尼器有金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏彈性阻尼器、黏性液體阻尼器等。

1.3調(diào)諧減振系統(tǒng)。常用的調(diào)諧減振系統(tǒng)有:調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD )、調(diào)諧液體阻尼器(TLD)、液壓質(zhì)量振動控制系統(tǒng)(HMS)等。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器是一個小的振動系統(tǒng),由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成。它對結(jié)構(gòu)進行振動控制的機理是:原結(jié)構(gòu)體系由于加入了TMD,其動力特性發(fā)生了變化。原結(jié)構(gòu)承受動力作用而劇烈振動時,由于TMD質(zhì)量塊的慣性而向原結(jié)構(gòu)施加反方向作用力,其阻尼也發(fā)揮耗能作用,從而使原

2、主動控制

結(jié)構(gòu)主動控制是利用外部能源, 在結(jié)構(gòu)受激勵振動過程中, 對結(jié)構(gòu)施加控制力或改變結(jié)構(gòu)的動力特性, 從而迅速地減小結(jié)構(gòu)的振動反應。主動控制系統(tǒng)主要包括傳感器、控制器和作動器3 個組成部分。

目前有關(guān)主動控制的研究內(nèi)容主要分為主動控制算法和主動控制裝置研究兩部分。主動控制裝置主要有主動質(zhì)量阻尼系( AMD) 、主動拉索系統(tǒng)( ATS ) 、主動支撐系統(tǒng)( ABS) 、主動空氣動力擋風板控制系統(tǒng)( ADA) 和氣體脈沖發(fā)生器控制系統(tǒng)( PC) 等。主動控制算法是主動控制的基礎, 它的目標是使主動控制系統(tǒng)在滿足其狀態(tài)方程和各種約束條件下, 選擇合適的增益矩陣, 尋找最優(yōu)的控制參數(shù), 使系統(tǒng)達到較優(yōu)的性能指標, 實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的最優(yōu)控制。目前, 它的研究基本上是以理論分析、數(shù)據(jù)模擬分析為主, 且已取得較大的成就, 但主動控制技術(shù)尚未成熟。從目前已有的研究來看, 其可行性還受到一些條件的制約:

2.1 主動控制系統(tǒng)在地震中運作問題。日本采用AMD 和HMD 的高層建筑, 在風振和環(huán)境振動時主動控制系統(tǒng)運作正常, 取得很好的控制效果。但在大地震時, 很大部分的主動控制系統(tǒng)因故未能運作。

2.2 時滯問題。主動控制系統(tǒng)在工作時由于信號處理、運算、電液伺服作動自動作等都需要一定的時間, 因此時間滯后問題是不可避免的。時滯對控制系統(tǒng)的性能有很大影響,它使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差, 控制效率降低, 甚至可能產(chǎn)生負效應。目前, 可以通過補償?shù)姆椒▉硇拚龝r滯。

2.3 能量問題。主動控制系統(tǒng)的運作需要依靠外部能源的輸入, 如何在地震中保證有可靠的能源, 需要特別注意。

2.4 設備維護問題。作為生命線工程的大跨度橋梁的使用壽命最少為幾十年, 甚至上百年, 相應的主動控制系統(tǒng)也需要在這么長的時間內(nèi)保持使用功能完備, 如何能保證系統(tǒng)的完善, 特別是作為核心構(gòu)件的計算機的有效性也是需要解決的問題。

3、半主動控制

半主動結(jié)構(gòu)控制參數(shù)控制，它是依賴于結(jié)構(gòu)的振動反應或動荷載的信息實時改變結(jié)構(gòu)的參數(shù)來減小結(jié)構(gòu)的反應。它更易于實施，并且它的控制系統(tǒng)更為可靠。半主動結(jié)構(gòu)控制的控制效果優(yōu)于被動控制，略遜于主動控制。半主動控制不需要外界能量輸入，因而是一種很有發(fā)展前景的抗震控制方法

4、混合控制

混合控制是將主動控制和被動控制或智能控制等2種或2種以上控制方式，同時施加在同一結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)減振控制形式。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。它兼有2種控制的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，只需很小的能量輸入即可得到很好的控制效果。目前，混合控制有主動質(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，主動控制與耗能減振的混合，液體質(zhì)量控制系統(tǒng)和主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的混合。目前，隔震和耗能減振的混合控制應用較為廣泛。世界上第一個安裝混合質(zhì)量阻尼器(HMD) 控制系統(tǒng)的建筑是日本東京清水公司技術(shù)研究所的7層建筑。我國南京電視塔采用了主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)AMD與調(diào)諧液體阻尼系統(tǒng)TLD相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)來控制風振。

5、智能控制

結(jié)構(gòu)智能控制包括采用智能控制算法和智能驅(qū)動或智能阻尼裝置2類。當結(jié)構(gòu)遇到強烈的地震作用時可能進入非線性,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和剛度發(fā)生退化,實際結(jié)構(gòu)模型修正是結(jié)構(gòu)振動控制的一個突出問題。智能控制算法正是為了解決這一問題而引入的。智能控制算法可以不依賴精確的結(jié)構(gòu)模型,或者具有很強的學習及調(diào)整逼近能力。目前研究的結(jié)構(gòu)智能控制算法主要有:

5.1模糊控制算法。模糊控制主要通過狀態(tài)輸出和控制輸入的模糊邏輯關(guān)系,即模糊控制規(guī)則來實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)或控制。

5.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有很強的非線性逼近、自學習和自適應、數(shù)據(jù)融合以及并行分布處理等能力,在多變量、強非線性系統(tǒng)的辨識、建模和控制中有明顯的優(yōu)勢和應用前景。

另一類結(jié)構(gòu)智能控制是指采用諸如磁(電)流變液體、壓電材料、磁(電)致伸縮材料和形狀記憶合金等智能驅(qū)動器的主動控制或智能阻尼器的半主動控制。

結(jié)束語

目前， 世界上許多國家開展了結(jié)構(gòu)減震技術(shù)與理論的研究，并致力于該技術(shù)的推廣應用。結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)是一門科學性和技術(shù)性很強的應用科學，在結(jié)構(gòu)設計中應用減震控制技術(shù)， 能很好地減小地震反應從而降低抗震等級， 同時建筑物的總造價增大不多。另外， 隨著結(jié)構(gòu)減震技術(shù)的發(fā)展， 減震系統(tǒng)造價不斷減低， 減震房屋的經(jīng)濟效益會越來越突現(xiàn)。結(jié)構(gòu)減震技術(shù)代表著未來抗震技術(shù)的發(fā)展方向， 值得大力推廣應用。

參考文獻

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