論述土木工程結構減震控制方法

【摘要】隨著結構減震技術的發展，減震控制系統的造價也在不斷降低，土木工程減震結構建筑的經濟效益將會越來越凸顯，未來，結構減震技術和方法必將成為土木工程重要發展和應用趨勢。

【關鍵詞】土木工程；結構減震；原理；控制方法

1.隔震控制技術的基本原理

結構減震控制指的是在建筑結構的某個特定部位設置某種控制裝置、機構或種子結構，當結構出現振動的時候，主動或液壓質量振動被動的施加外力來改變或調整結構的動力作用或動力特性，從而有效降低結構的振動反應，其最終目的就是通過采取一系列控制措施和方法，降低建筑結構在地震等強動力荷載下的反應，增強建筑結構的穩定性能，為建筑結構的安全性提供保障。

2.土木工程結構減震的意義及價值

2.1土木工程結構減震是工程安全性的需要

土木工程結構減震技術發展三十度年來，已經取得卓越的工程學成就。由于現代土木工程涉及橋梁、道路、房屋、廠房、發射塔等一系列重要的公共建筑，其安全性必須受到嚴格保證。伴隨著現代地質科技的不斷發展，人們對地質結構以及不可抗力的風險越發重視，尤其是在遭遇了日本大地震、汶川大地震、智利大地震等一系列巨大的地質災害后，人愈發重視建筑抗震以及土木工程減震的重要性，所以現代土木工程對結構減震的需要越來越強烈。

2.2土木工程結構減震是確保建筑使用年限的需要

正如前述所說，建筑受到此類突發災害性影響帶來的生命財產損失是巨大的，對建筑自身使用壽命也帶來毀滅性的影響。但在一些受強風等氣象影響下的土木工程，其長期遭受風力震動的影響，也會大大減少建筑物的設計使用壽命，同時帶來極大地安全隱患。因此，土木功臣結構減震控制技術有利于延長和保證現代建筑的設計使用壽命，達到預期的社會和經濟效益。

3.土木工程結構減震的控制方法

3.1被動控制

被動控制是通過減震、隔震裝置來對振動能量進行消耗，并阻止振動在建筑結構中進行傳播，構造簡單，造價成本低，維護簡便，且不需要外部能源支持，在土木工程結構減震中的應用越來越廣泛。

（1）耗能減震

耗能減震是將結構中的一些構件比如支撐、支撐等設計成耗能部件，或者在建筑結構的某些部位比如連接處、節點處設置阻尼器，耗能部件和阻尼器在荷載作用較小的情況下處于彈性狀態，在強烈的荷載作用或振動作用下，耗能部件就會進入非彈性狀態，能夠大量消耗輸入結構的能量，避免荷載或振動作用進入主體結構造成結構進入非彈性狀態，為主體結構的安全提供了可靠保障。由于耗能裝置不同，耗能減震也可分為不同的體系，一種為耗能構件減震體系，常用的耗能元件有耗能支撐、耗能剪力墻等，另一種為阻尼器耗能減震體系，常用的阻尼器有金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器、粘滯性阻尼器等。耗能減震具有性能穩定、適用范圍廣、抗震性好、經濟實用、可靠性高、技術條件簡單等優點，比較適用于高層建筑和超高層建筑。

（2）基礎隔震

基礎隔震是在建筑物的上部結構與基礎之間設置控制機構，比如設置隔震消能裝置，從而減小或者隔離地震能量向建筑物上部結構傳輸，使上部結構的振動減小，避免地震給建筑物帶來危害。基礎隔震裝置必須具備一定的特性才能夠滿足結構減震需要，因此，裝置必須具有較大的變形能力，必須能夠提供較大的阻尼并具有較大的耗能，必須具有足夠的初始剛度和強度。比較常見的基礎隔震裝置有剛滯變阻尼器隔震裝置、夾層橡膠墊隔震裝置、摩擦隔震裝置等。基礎隔震對降低結構的自振頻率具有非常顯著的作用，是發展最早的結構減震方法，其在技術上比較成熟，具有構造簡單、性能穩定、耐久性高、經濟、減震效果顯著的優點，比較適用于剛性結構和中低層建筑。

（3）調諧減震

調諧減震主要是通過在建筑主體結構中附加一些子結構的方法，使主體結構在強震作用下，振動發生轉移，結構中的震動能量就能在原結構與附加結構之間得到重新的分配，大大降低了震動對原結構帶來的破壞。常用的調諧減震系統有調諧質量阻尼器、模式質量阻尼器、質量泵、調諧液體阻尼器、液壓質量振動控制系統等，這些調諧減震系統能夠有效減小地震反應。

3.2主動控制

結構主動控制是利用外部能源，在結構受激勵振動過程中，對結構施加控制力或改變結構的動力特性，從而迅速地減小結構的振動反應。主動控制系統主要包括傳感器、控制器和作動器3個組成部分。傳感器測量結構反應或外部激勵信息。控制器處理傳感器測量的信息，實現所需的控制律，其輸出為作動器的指令。作動器產生控制力，所需的能量由外部能源提供，控制力有時通過一個輔助子結構作用到受控結構上。主動控制能夠很好的應用現代控制理論和最新研究成果。在主動控制中，作動器的控制力可連續變化，所以其有著極廣的控制頻率，對外界不同激勵具有很強的適應性，能夠取得很好的控制效果。常用的主動控制系統裝置主要有主動質量阻尼器、主動支撐系統、主動拉鎖系統等。

3.3半主動控制

半主動的控制是屬于一個參數的控制，其控制的過程完全的依賴于外部激勵以及結構反應的信息，進而再通過少量的能量而實時的改變結構的阻尼或是剛度等等的參數來減小結構的反應。半主動的控制根本就不需要大量外部能源的輸入來直接性的提供一個控制力，只是其實施控制力的作動器就得需要少量的能量調節，這樣就可以使得其可以主動的利用結構振動的往復相對速度或是變形，在最大程度上來充分的實現主動最優控制力。因其半主動控制是兼顧被動控制簡單易行以及主動控制優良的控制效果的優點，同時還克服了主動控制需要的大量的能量供給以及被動控制調諧范圍窄的不足，所以半主動化的控制具有了一個比較廣泛的應用以及比較大研究，這同時也是當前的研究熱點。其中常見的半主動控制系統有變剛度變阻尼系統（AVSD）、可變阻尼系統（AVD）、可變剛度系統（AVS）以及主動調諧參數質量阻尼系統（ATMD）等等。

3.4混合控制

混合控制是將主動控制和被動控制聯合起來應用，即將主動控制和被動控制同時應用于同一建筑結構減震中，可以將主動控制和被動控制兩種方法的優點充分發揮出來，彌補了單一控制方法的制約和不足，只需要小功率的能量輸入就能直接提供控制力，控制效果非常明顯，調諧范圍得以擴大，結構抗震系統的穩定性、實用性和安全性大大提升。

3.5智能控制

在土木工程結構減震方法中還有一種叫做智能控制算法，這種方法不依賴精確的結構模型，而且具有很強的學習及調整逼近能力。智能控制方法主要有兩種：

1）模糊控制算法。模糊控制主要通過狀態輸出和控制輸入的模糊邏輯關系，即模糊控制規則來實現系統的調節或控制。

2）神經網絡控制算法。人工神經網絡具有很強的非線性逼近、自學習和自適應、數據融合以及并行分布處理等能力，在多變量、強非線性系統的辨識、建模和控制中有明顯的優勢和應用前景。另一類結構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動器的主動控制或智能阻尼器的半主動控制。

4.結語

總之，結構減震控制技術具有很強的科學性以及技術性。在土木工程結構設計當中運用減震控制措施，可以比較好地降低地震反應，因此值得進一步推廣與應用。筆者相信，隨著土木工程結構的減震技術不斷應用與發展，減震系統的造價成本不斷得到減低，則減震房屋之經濟效益與社會效益勢必會越來越凸出，也會更加受到人們的青睞。

參考文獻：

[1]王衛勇.淺議結構減震在建筑中的應用[J].山西建筑，2012（19）

[2]邱曉平.土木工程結構的抗震設計探討[J].林業科技情報，2013，（03）