土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究現(xiàn)狀與展望

許圣昊

摘 要：近年來(lái)，我國(guó)土木工程行業(yè)發(fā)展迅速，且為推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了較大貢獻(xiàn)。為了進(jìn)一步提高土木工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性，文章以土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制作為主要研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其概念進(jìn)行闡述，進(jìn)而對(duì)其研究現(xiàn)狀展開(kāi)了詳細(xì)的論述和分析，并對(duì)其在未來(lái)的發(fā)展方向予以全面展望。

關(guān)鍵詞：土木工程結(jié)構(gòu)；振動(dòng)控制；主動(dòng)控制；被動(dòng)控制

隨著地震災(zāi)害的頻繁發(fā)生，傳統(tǒng)的基于構(gòu)件承載與變形能力消耗地震能量的抗震方法已難以適應(yīng)土木工程的抗震能力的新要求，在此背景下，作為現(xiàn)代控制理論中的重要組成部分，振動(dòng)控制理論被引入土木工程結(jié)構(gòu)的抗震研究領(lǐng)域當(dāng)中，較好地提高了工程的穩(wěn)定性與抗震性。

1 土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制概述

土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制即，將隔振墊等相關(guān)裝置或消能支撐和剪力墻等整體構(gòu)件安置在結(jié)構(gòu)的特定部位，在風(fēng)火地震的作用下，使整體結(jié)構(gòu)能夠得到合理控制并確保結(jié)構(gòu)自身及其內(nèi)部人員與設(shè)備處于安全狀態(tài)的一種振動(dòng)控制技術(shù)。就現(xiàn)階段而言，關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究主要包括了被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和混合控制。

2 主動(dòng)控制

土木工程結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控制裝置包括儀器測(cè)量系統(tǒng)以及控制和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中，儀器測(cè)量系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和外部傳達(dá)的激勵(lì)信息進(jìn)行測(cè)量，控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)儀器測(cè)量系統(tǒng)所傳遞的測(cè)量信息進(jìn)行處理，在實(shí)現(xiàn)控制律的同時(shí)，輸出相應(yīng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)指，而動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在制定驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生控制力，其所需的能量來(lái)源大都由外部能源結(jié)構(gòu)予以攻擊，從而經(jīng)輔助子結(jié)構(gòu)將控制力作用在受控結(jié)構(gòu)處，達(dá)到抗振目的。

目前，主動(dòng)控制主要分為兩種類(lèi)型，首先，是控制力型，其裝置主要包括主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)與支撐系統(tǒng)、主動(dòng)拉索系統(tǒng)以及氣體脈沖發(fā)生器和主動(dòng)空氣動(dòng)力擋風(fēng)板系統(tǒng)。基于控制力型的主動(dòng)控制是借助外部能源，當(dāng)土木工程結(jié)構(gòu)受到激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，向結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)的控制力，促使結(jié)構(gòu)受振動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)反應(yīng)能夠迅速得到有效控制。

其次，是基于結(jié)構(gòu)性能可變型的主動(dòng)控制技術(shù)，此類(lèi)主動(dòng)控制主要利用外界的激勵(lì)信息和土木工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)對(duì)其內(nèi)部的各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和變更，旨在以較少的能量對(duì)控制系統(tǒng)的形態(tài)予以改變，從而促使結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性發(fā)生變化減輕其振動(dòng)相應(yīng)。與基于控制力型的主動(dòng)控制相比，結(jié)構(gòu)性能可變型控制具有所需外部能量小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)維護(hù)要求低和易于實(shí)施與成本較低等優(yōu)勢(shì)，在控制效果方面也與控制力型的主動(dòng)控制方法相接近，故此種主動(dòng)控制技術(shù)具有更高的研究、使用和推廣價(jià)值。磁流與電流變液態(tài)阻尼器在結(jié)構(gòu)性能可變型控制中也得到了部分應(yīng)用，且取得了良好的抗振效果。

3 被動(dòng)控制

借助相應(yīng)裝置、機(jī)構(gòu)或種子結(jié)構(gòu)對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)予以改變，從而促使其具備隔離、調(diào)諧以及耗能與吸能減震振功能的控制技術(shù)。主要包括了隔振以及耗能減振與吸能減振三種。其中，隔振即將隔振裝置安置在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間，并利用隔振裝置使地震所傳遞的能量大幅削減，進(jìn)而使地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用與隔振部位自身的變形得到良好控制。

在耗能減振方面，主要是通過(guò)將阻尼等耗能機(jī)構(gòu)安置在工程的支撐、剪力墻和節(jié)點(diǎn)等相關(guān)結(jié)構(gòu)處，借助相關(guān)耗能機(jī)構(gòu)產(chǎn)生摩擦和彎曲彈塑性滯回變形耗能從而達(dá)到對(duì)地震能量進(jìn)行耗散的目的。此種被控控制的原理在于，通過(guò)引入耗能機(jī)構(gòu)，從而為土木工程結(jié)構(gòu)提供較大阻尼，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，其便產(chǎn)生蘇醒屈服與摩擦滑動(dòng)，從而克服阻尼力做工，對(duì)輸入結(jié)構(gòu)中振動(dòng)能進(jìn)行大幅消耗。

吸能減震則通過(guò)將種子結(jié)構(gòu)置于結(jié)構(gòu)當(dāng)中，促使其振動(dòng)產(chǎn)生位移，并在位移中使原結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的振動(dòng)能得以重新分配，進(jìn)而減小土木工程整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。當(dāng)前，應(yīng)用在土木工程結(jié)構(gòu)中的吸能減振裝置主要包括調(diào)諧液體阻尼器和質(zhì)量阻尼器、懸掛結(jié)構(gòu)體系以及擺式質(zhì)量阻尼器和液壓質(zhì)量控制系統(tǒng)，此外，屋面水箱亦可在地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)減振效果，故可將其充當(dāng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。

4 混合控制

由主動(dòng)控制與被動(dòng)控制結(jié)合而成的土木工程結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)兼具主動(dòng)與被動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，其借助被動(dòng)控制對(duì)地震向結(jié)構(gòu)施加的振動(dòng)能量予以耗散，并利用主動(dòng)控制確保結(jié)構(gòu)控制能夠獲得良好效果，故具有良好的應(yīng)用價(jià)值。還需說(shuō)明的是，此種控制方法在土木工程結(jié)構(gòu)中同時(shí)施加主動(dòng)與被動(dòng)控制，從整體行對(duì)其受地震激勵(lì)作用的相應(yīng)進(jìn)行分析，在克服單一被動(dòng)控制應(yīng)用局限性的同時(shí)，促使控制力得到有效減小，降低了系統(tǒng)對(duì)外部控制設(shè)備功率和體積的需求，從整體上提高了土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。就現(xiàn)階段而言，土木工程結(jié)構(gòu)的混合控制系統(tǒng)主要包括了基于主動(dòng)控制與耗能裝置相結(jié)合的控制系統(tǒng)以及主動(dòng)控制和基礎(chǔ)隔振裝置相結(jié)合的控制系統(tǒng)。此外，模糊半主動(dòng)控制策略在智能復(fù)合隔振系統(tǒng)系統(tǒng)中實(shí)施也較好地提高了土木工程結(jié)構(gòu)的智能化控制水平，通過(guò)將被動(dòng)隔振墊同磁流變液態(tài)智能阻尼器進(jìn)行并聯(lián)連接，從而使得系統(tǒng)能夠有效減小建筑物隔振層位移和各層間的相對(duì)位移，具有良好的隔振效果。

5 土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制展望

結(jié)合既有的土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展情況，其今后的發(fā)展趨勢(shì)為：（1）以能量回收為基礎(chǔ)的土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制。發(fā)生地震時(shí)，外界能量供給并不易得到良好保障，從而影響控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，而以能量回收為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制則能夠較好地解決此類(lèi)問(wèn)題，通過(guò)引入高校的回收振動(dòng)能量技術(shù)，并融入能量平衡理論，從而獲得良好的控制效果。（2）消除地鐵、有軌電車(chē)等交通設(shè)施對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的垂直振動(dòng)影響，此方面研究室三維隔振技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于城市建筑物，需要加大對(duì)更為有效的三維隔振裝置的研究力度，從而消除相關(guān)交通設(shè)施對(duì)建筑物施加的振動(dòng)作用。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制概念進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，進(jìn)而從主動(dòng)控制、被動(dòng)控制和混合控制三方面對(duì)其結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的相關(guān)技術(shù)做出了系統(tǒng)探析，并給出其結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展方向。研究結(jié)果表明，土木工程的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)對(duì)于提高其抗振性與穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用，未來(lái)，還需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)振動(dòng)控制技術(shù)的研究與應(yīng)用，從而促使土木工程結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部人員的安全性得以全面提升。

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