土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的研究現(xiàn)狀與展望

竇超

摘要：在土木工程中開展結(jié)構(gòu)振動控制的目的是為了強化現(xiàn)代建筑的使用性能，同時也是為了提高建筑在使用中的抗災(zāi)能力。其在實際的研究中已經(jīng)取得了初步的成果，根據(jù)其研究成果可以分為主動、被動、混合及智能這四種控制形式。以下從現(xiàn)今建筑使用中需要面臨的環(huán)境問題來進來分析其發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合現(xiàn)今人們對建筑安全的需要及土木工程的發(fā)展情況對其此研究的未來進行展望。

關(guān)鍵詞：土木工程 結(jié)構(gòu)振動 控制 研究現(xiàn)狀 展望

由于我國地理面積廣闊，其中包含著許多復(fù)雜的地形，一些地區(qū)處于地震帶，在發(fā)生地震時為人們帶來了極其嚴重的生命財產(chǎn)損失。而在地震發(fā)生時，一些人員無法逃出建筑而受到生命威脅的現(xiàn)象屢見不鮮，因此建筑的抗震性能也成為了土木工程中重點研究的項目，其中結(jié)構(gòu)振動控制的理念受到廣泛的關(guān)注，基于此理念的研究也在不斷的開展。

一、土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的研究現(xiàn)狀

地震主要是由于地殼板塊運動產(chǎn)生的劇烈動力現(xiàn)象，在地震區(qū)域的建筑會受到強力的作用產(chǎn)生晃動，這部分力產(chǎn)生的載荷在超過建筑可承受的臨界值后會使建筑出現(xiàn)斷裂、倒塌的現(xiàn)象。而受建筑結(jié)構(gòu)、材料及使用的要求，其實際的抗震能力并不能達到理想的是狀態(tài)。而現(xiàn)今在土木工程中融入了結(jié)構(gòu)振動原理為建筑抗震設(shè)計提供了一個突破口，其在實際應(yīng)用中的范圍也越來越廣。

而在現(xiàn)今的研究中通過結(jié)構(gòu)振動控制來降低地震能量對建筑所帶來的影響，降低其結(jié)構(gòu)所承受的載荷力，從而在地震產(chǎn)生的能量中可以對建筑內(nèi)部的人員、物品起到一個防護的作用，并在外力的作用下通過消能保證結(jié)構(gòu)的完整性。總體來說就是利用消能材料、結(jié)構(gòu)、裝置來控制及分散振動所產(chǎn)生的瞬時爆發(fā)力，同時控制裝置還可以地震的頻率來施加適當?shù)目刂屏Γ赃_到降低結(jié)構(gòu)振動作用下的各種反應(yīng)。

二、土木工程結(jié)構(gòu)振動控制

（一）被動控制分析

被動控制是在工程結(jié)構(gòu)上添加一個子系統(tǒng)或者改造結(jié)構(gòu)上的構(gòu)件使其動力特性發(fā)生變化的技術(shù)，在使用中其可以利用隔振裝置來降低地震瞬時力產(chǎn)生時對建筑造成的位移其情況，并通過耗能裝置將振動中輸出的能量進行消耗，從而降低劇烈振動過程中產(chǎn)生破壞力，而吸能則是應(yīng)用子結(jié)構(gòu)來對余震所產(chǎn)生的能量進行吸收，并對此部分能量進行分散釋放，從而降低能量波對局部所造成的高損害情況。

（二）主動控制分析

主動控制與被動控制相比，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要外部能量的支持，成本較高，維護復(fù)雜。但是主動控制對于高層建筑的控制效果相對較好。其原理是傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，并將監(jiān)測的信息送入計算機，計算機根據(jù)指定公式算法計算出施加力，并由部能源驅(qū)動作動器產(chǎn)生施加在結(jié)構(gòu)上的控制力。

（三）混合控制分析

這種控制方法主要是將以上兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點進行融合，從而彌補了主動控制耗費高及被動控制能量消耗量較低的缺陷，兩種控制系統(tǒng)的聯(lián)用可以突破原有的控制系統(tǒng)存在的局限性，擴大了其使用的范圍。

（四）智能控制分析

智能控制是指利用智能化的材料和控制理論在結(jié)構(gòu)受激勵振動時通過對結(jié)構(gòu)內(nèi)部參數(shù)進行調(diào)整來改變結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性，實現(xiàn)減少振動反應(yīng)的目的。其中智能化控制理論有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等。

三、土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的發(fā)展前景

此研究具有多學(xué)科交匯的特點，在使用中需要對其所涉及的領(lǐng)域都有豐富的了解及充足的知識儲備量，而結(jié)構(gòu)振動控制的發(fā)展需要由多角度進行創(chuàng)新研究，其發(fā)展前景以下有幾點淺見。

（一）能量回收

在地震的過程中會泄露出大量的能量，這部分施加于建筑上的能量需要由建筑結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)進行抵消，但是這部分施加的能量卻過多，例如在主動控制系統(tǒng)中，其需要外部有足夠的能源來提供其進行控制工作的所需，一旦外部能源量少且無法提供持續(xù)供給將會造成控制系統(tǒng)的失效。因此如何進行能量回收、怎樣回收、回收技術(shù)及回收理論等都是其發(fā)展中的重點，也是發(fā)展中需要重點關(guān)注的項目之一。

（二）被動控制技術(shù)規(guī)范化、實用化

在現(xiàn)今的建設(shè)工程中結(jié)構(gòu)振動被動控制系統(tǒng)使用的范圍最廣，其在發(fā)展的過程中各項技術(shù)也在不斷的被完善，在使用中所提供的服務(wù)也相對成熟且成本較低，具有極好的實用價值。但是在現(xiàn)今對被動控制系統(tǒng)的研究中可以看出其系統(tǒng)的使用仍然較為散亂，其系統(tǒng)內(nèi)容及使用技術(shù)在操作的過程中較為復(fù)雜，因此在發(fā)展中應(yīng)注重系統(tǒng)的規(guī)范處理，并制定完善的管理規(guī)范，簡化操作流程，提高其實用性，從而為其推廣及擴展提供發(fā)展契機。

（三）加強主動、混合、智能控制的研究實驗

這三種形式所提供的結(jié)構(gòu)振動控制效果更好，且在現(xiàn)代信息技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展下這三種控制方式更適合現(xiàn)今的建筑防震。在主動及混合控制中需要從其技術(shù)原理及技術(shù)內(nèi)容入手，在原有的基礎(chǔ)上將其控制技術(shù)的使用簡化，并通過總結(jié)原有的技術(shù)缺陷來進行補足完善，通過研究新材料、新技術(shù)來降低其使用的成本。而在智能控制中需要對其程序中各類參數(shù)進行準確的設(shè)置，并結(jié)合地理特點及地震產(chǎn)生的參數(shù)來制定智能系統(tǒng)控制防護開啟的參數(shù)。

（四）加強國家政策的扶持

目前土木工程結(jié)構(gòu)振動控制被歸為抗震中的一項重要技術(shù)，其在實際的使用中雖然仍存有一定的不足之處但也取得了一定的進步，而其作為一種可以在建設(shè)工程中大范圍使用的具有一定優(yōu)勢的技術(shù)，其研究及發(fā)展需要由國家及相關(guān)部門的支持，這樣才能在適當?shù)姆秶鷥?nèi)為研究工作的開展提供最大的便利，使結(jié)構(gòu)振動控制可以得到最新的技術(shù)及資料的支持，從而增強其時效性及可操作性。

四、結(jié)語

目前根據(jù)結(jié)構(gòu)振動控制的應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)其所創(chuàng)造的價值不只體現(xiàn)在其經(jīng)濟效益上，更重要的是在對人民生命財產(chǎn)安全保護上的效果。在土木工程結(jié)構(gòu)振動的研究上需要由多學(xué)科、技術(shù)進行交叉探索，這也需要研究人員的不斷努力。同時相關(guān)部門也需要給予相應(yīng)的鼓勵及支持，從而促進此研究的持續(xù)發(fā)展。根據(jù)被動控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中所取得的成果來看，在同類技術(shù)的研究上有良好的發(fā)展前景，其價值及意義對建筑行業(yè)來說非常重要。

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（作者單位：長春新星宇房地產(chǎn)開發(fā)有限責(zé)任公司）