論述土木工程結(jié)構(gòu)減震控制方法

【摘要】隨著結(jié)構(gòu)減震技術(shù)的發(fā)展，減震控制系統(tǒng)的造價也在不斷降低，土木工程減震結(jié)構(gòu)建筑的經(jīng)濟(jì)效益將會越來越凸顯，未來，結(jié)構(gòu)減震技術(shù)和方法必將成為土木工程重要發(fā)展和應(yīng)用趨勢。

【關(guān)鍵詞】土木工程；結(jié)構(gòu)減震；原理；控制方法

1.隔震控制技術(shù)的基本原理

結(jié)構(gòu)減震控制指的是在建筑結(jié)構(gòu)的某個特定部位設(shè)置某種控制裝置、機(jī)構(gòu)或種子結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動的時候，主動或液壓質(zhì)量振動被動的施加外力來改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力作用或動力特性，從而有效降低結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)，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(jié)構(gòu)在地震等強(qiáng)動力荷載下的反應(yīng)，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，為建筑結(jié)構(gòu)的安全性提供保障。

2.土木工程結(jié)構(gòu)減震的意義及價值

2.1土木工程結(jié)構(gòu)減震是工程安全性的需要

土木工程結(jié)構(gòu)減震技術(shù)發(fā)展三十度年來，已經(jīng)取得卓越的工程學(xué)成就。由于現(xiàn)代土木工程涉及橋梁、道路、房屋、廠房、發(fā)射塔等一系列重要的公共建筑，其安全性必須受到嚴(yán)格保證。伴隨著現(xiàn)代地質(zhì)科技的不斷發(fā)展，人們對地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及不可抗力的風(fēng)險越發(fā)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(zhì)災(zāi)害后，人愈發(fā)重視建筑抗震以及土木工程減震的重要性，所以現(xiàn)代土木工程對結(jié)構(gòu)減震的需要越來越強(qiáng)烈。

2.2土木工程結(jié)構(gòu)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(fā)災(zāi)害性影響帶來的生命財產(chǎn)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(qiáng)風(fēng)等氣象影響下的土木工程，其長期遭受風(fēng)力震動的影響，也會大大減少建筑物的設(shè)計使用壽命，同時帶來極大地安全隱患。因此，土木功臣結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)有利于延長和保證現(xiàn)代建筑的設(shè)計使用壽命，達(dá)到預(yù)期的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

3.土木工程結(jié)構(gòu)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(jìn)行消耗，并阻止振動在建筑結(jié)構(gòu)中進(jìn)行傳播，構(gòu)造簡單，造價成本低，維護(hù)簡便，且不需要外部能源支持，在土木工程結(jié)構(gòu)減震中的應(yīng)用越來越廣泛。

（1）耗能減震

耗能減震是將結(jié)構(gòu)中的一些構(gòu)件比如支撐、支撐等設(shè)計成耗能部件，或者在建筑結(jié)構(gòu)的某些部位比如連接處、節(jié)點處設(shè)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(tài)，在強(qiáng)烈的荷載作用或振動作用下，耗能部件就會進(jìn)入非彈性狀態(tài)，能夠大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的能量，避免荷載或振動作用進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)造成結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，為主體結(jié)構(gòu)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(gòu)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(wěn)定、適用范圍廣、抗震性好、經(jīng)濟(jì)實用、可靠性高、技術(shù)條件簡單等優(yōu)點，比較適用于高層建筑和超高層建筑。

（2）基礎(chǔ)隔震

基礎(chǔ)隔震是在建筑物的上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置控制機(jī)構(gòu)，比如設(shè)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(jié)構(gòu)傳輸，使上部結(jié)構(gòu)的振動減小，避免地震給建筑物帶來危害。基礎(chǔ)隔震裝置必須具備一定的特性才能夠滿足結(jié)構(gòu)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(qiáng)度。比較常見的基礎(chǔ)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(chǔ)隔震對降低結(jié)構(gòu)的自振頻率具有非常顯著的作用，是發(fā)展最早的結(jié)構(gòu)減震方法，其在技術(shù)上比較成熟，具有構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定、耐久性高、經(jīng)濟(jì)、減震效果顯著的優(yōu)點，比較適用于剛性結(jié)構(gòu)和中低層建筑。

（3）調(diào)諧減震

調(diào)諧減震主要是通過在建筑主體結(jié)構(gòu)中附加一些子結(jié)構(gòu)的方法，使主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下，振動發(fā)生轉(zhuǎn)移，結(jié)構(gòu)中的震動能量就能在原結(jié)構(gòu)與附加結(jié)構(gòu)之間得到重新的分配，大大降低了震動對原結(jié)構(gòu)帶來的破壞。常用的調(diào)諧減震系統(tǒng)有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、模式質(zhì)量阻尼器、質(zhì)量泵、調(diào)諧液體阻尼器、液壓質(zhì)量振動控制系統(tǒng)等，這些調(diào)諧減震系統(tǒng)能夠有效減小地震反應(yīng)。

3.2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(yīng)。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。傳感器測量結(jié)構(gòu)反應(yīng)或外部激勵信息?？刂破魈幚韨鞲衅鳒y量的信息，實現(xiàn)所需的控制律，其輸出為作動器的指令。作動器產(chǎn)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(jié)構(gòu)作用到受控結(jié)構(gòu)上。主動控制能夠很好的應(yīng)用現(xiàn)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(xù)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(qiáng)的適應(yīng)性，能夠取得很好的控制效果。常用的主動控制系統(tǒng)裝置主要有主動質(zhì)量阻尼器、主動支撐系統(tǒng)、主動拉鎖系統(tǒng)等。

3.3半主動控制

半主動的控制是屬于一個參數(shù)的控制，其控制的過程完全的依賴于外部激勵以及結(jié)構(gòu)反應(yīng)的信息，進(jìn)而再通過少量的能量而實時的改變結(jié)構(gòu)的阻尼或是剛度等等的參數(shù)來減小結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。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(diào)節(jié)，這樣就可以使得其可以主動的利用結(jié)構(gòu)振動的往復(fù)相對速度或是變形，在最大程度上來充分的實現(xiàn)主動最優(yōu)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(yōu)良的控制效果的優(yōu)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(diào)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(yīng)用以及比較大研究，這同時也是當(dāng)前的研究熱點。其中常見的半主動控制系統(tǒng)有變剛度變阻尼系統(tǒng)（AVSD）、可變阻尼系統(tǒng)（AVD）、可變剛度系統(tǒng)（AVS）以及主動調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)（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(lián)合起來應(yīng)用，即將主動控制和被動控制同時應(yīng)用于同一建筑結(jié)構(gòu)減震中，可以將主動控制和被動控制兩種方法的優(yōu)點充分發(fā)揮出來，彌補(bǔ)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(diào)諧范圍得以擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)抗震系統(tǒng)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型，而且具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)及調(diào)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(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。

2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性逼近、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)、數(shù)據(jù)融合以及并行分布處理等能力，在多變量、強(qiáng)非線性系統(tǒng)的辨識、建模和控制中有明顯的優(yōu)勢和應(yīng)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。

4.結(jié)語

總之，結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)具有很強(qiáng)的科學(xué)性以及技術(shù)性。在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中運用減震控制措施，可以比較好地降低地震反應(yīng)，因此值得進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。筆者相信，隨著土木工程結(jié)構(gòu)的減震技術(shù)不斷應(yīng)用與發(fā)展，減震系統(tǒng)的造價成本不斷得到減低，則減震房屋之經(jīng)濟(jì)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(xiàn)：

[1]王衛(wèi)勇.淺議結(jié)構(gòu)減震在建筑中的應(yīng)用[J].山西建筑，2012（19）

[2]邱曉平.土木工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計探討[J].林業(yè)科技情報，2013，（03）