淺談建筑結構振動控制技術

翟永兵

【摘 要】近年來，隨著我國經濟的飛速發展，人民生活水平的日益提高，同時也帶動了我國建筑工程的快速發展，而在建筑工程結構振動控制技術中，傳統的抗震結構體系是通過加強結構本身的性能從而達到“抗御”地震的目的。土木工程結構振動控制有利于降低結構在地震、流水、海浪、風、車輛等動力作用下結構所造成的損傷，能夠有效地將結構抗震防災能力相對增強。結構控制引起了世界各國地震工程界的廣泛重視，是一種新型的結構抗震技術。但這種方法的作用與安全性相對是較低的，所以在這種不確定性的地震作用下，結構的安全性能并不能得到充分的保障，最后產生倒塌或遭到嚴重破壞，造成人員傷亡與巨大的經濟損失。本文就建筑工程結構振動控制技術進行分析，并對其的發展進行討論。

【關鍵詞】建筑工程；震動控制；發展

一、結構控制的特點、發展與現狀

（一）按控制對能量需求來劃分

從控制對外部能量需求的角度，結構控制可分為：被動結構控制、主動結構控制、混合結構控制、半主動結構控制。除被動控制外，其他三種控制方式中的控制力全部或部分地根據反饋信號按照某種事先設計的控制律實時產生。主動結構控制效果較好，對環境有較強的適應力，但完全依賴外部能源，閉環穩定性比其他方式差。在被動控制中，控制力不是由反饋產生的。其主要優點是；成本低、不消耗外部能量、不會影響結構的穩定性；缺點是：對環境變化的適應力與控制效果不如其他方案。混合控制是指用主動控制來補充和改善被動控制性能的方案。由于混合了被動控制，因此減小了全主動控制方案中對能量的要求。半主動控制中通常包含某種對能量需求很低的可控設備，如可變節流孔阻尼器等作用時所需的外部能量通常比主動控制小得多。因此初步研究表明混合控制與半主動控制的性能大大優于被動控制，甚至可達到或超過主動控制的性能，并在穩定性與適用性方面要優于后者，因此成為當前研究的一個熱點。

（二）按結構特性劃分

從被控結構的特性劃分，結構控制可分為柔性結構控制與剛性結構控制。其中柔性結構包括大型柔性空間結構、大跨度橋梁等；剛性結構則包括武器系統中穩定平臺、車輛懸掛系統、多剛體機器人等。對于兩類結構控制所用的主動控制設備也不相同，如在柔性結構控制中傳感器與執行器常用的智能材料是分布智能材料，如壓電材料；而剛性結構控制中傳感器與執行器常用的智能材料是電智能材料，如磁致伸縮材料。

（三）按控制效果要求劃分

精度要求是根據不同的應用而定的。不同的指標決定了不同的控制。如穩定平臺，控制目的是消除振動，使平臺系統盡可能保持穩定，而在土木結構中，控制目的是減少振動和保證安全，并不要求完全消除振動。

在高精度應用中常采用精密的智能結構，如Stewark六自由度穩定平臺，采用T erlenol_D材料，在尺寸與重量方而都較小，在控制器設計時常采取比較復雜的控制策略，以求達到高的控制效果，比如微米級或納米級精度，而相對地，對控制能量要求不大。相反在一些低精度結構控制中由于被控結構特點往往超大尺寸，超大重量，如高層建筑，控制律則要相對簡單，高可靠性，低控制能量。

二、振動控制發展現狀

根據控制時是否需要外加能源，結構振動控制可分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制。近20年來，被動控制、主動控制和半主動控制已成為結構振動控制的主要方法。其中被動控制的發展相對成熟，主動控制、混合控制和半主動控制仍處于研究階段。

（一）被動控制

1、基礎隔震

基礎隔震是通過減隔震裝置延長整個結構體系的自振周期，減小輸入上部結構的地震能量，達到預期防震的要求。基礎隔震是一種有效的工程抗震新技術，地震時能保護建筑結構物和內部設備、設施安全。

2、消能減震

消能減震技術是在結構中設置消能裝置，通過其局部變形提供附加阻尼，以消耗輸入上部結構的地震能量，達到預期設防要求。

3、被動調諧減振

被動調諧減振控制系統是由結構和附加在主結構上的子結構組成。附加的子結構具有質量、剛度和阻力，因而可以調節子結構的自振頻率，使其盡量接近主結構的基本頻率或激振頻率，這樣當主結構受激振而振動時，子結構就會產生一個與主結構振動方向相反的慣性力作用在主結構上，使主結構的反應衰減并受到控制。

（二）主動控制

振動主動控制是需要外界提供能源實現振動控制的一種方法，對振動主動控制的研究始于20世紀50年代末，隨后得到了迅速發展，取得了豐富的理論研究成果，并成功應用于航天結構振動控制、土木工程結構抗震、高速車輛隔振及其它機械設備振動控制中。

（三）半主動控制

半主動控制為少量外加能源的控制，其控制力雖也由控制裝置自身的運動而被動的產生，但在控制過程中控制裝置可以利用外加能源主動調整自身的參數。從而起到調節控制力的作用。

（四）混合控制

混合控制系統在結構上同時施加主動和被動控制，作為整體分析其響應，以克服純被動控制的應用局限，減小控制力同時減小外部控制設備的功率、體積、能源和維護費用，增加系統的可靠性。將主動控制和被動控制聯合應用，可以充分發揮兩種控制系統的優點，克服各自的缺點，只需很小的能量輸入即可達到較好的控制效果。

三、結構振動控制發展趨勢及展望

近年來結構的抗震、減振設計概念經歷了很大的飛躍，受到了許多領域的專家和學者的高度關注，由被動控制到主動控制，由主動控制到半主動控制和混合控制，進一步向智能化的方向發展，研究對象也從以前的理想狀態向實際結構靠近、非線性模型、滯后效應、不確定性因素都逐漸被考慮在內。雖然在理論上和實際應用上已經取得了不少新的成就，但仍存在許多問題有待深入探討研究：

1、結構控制設計研發尋求耗能少、造價低、構造簡單、施工方便、可靠性大的被動控制和主動控制系統控制裝置；

2、被動控制裝置系統技術已經較為成熟同時在實際工程中已經取得了應用效果，應將其進行系統整理，使其逐步實用化、規范化，以推動其在工程實踐中的廣泛應用；

3、建立研究結構延性耗能構件的力學模型，通過確定延性耗能構件的強度、耗能指標、受力特性、截面特征、配筋方式及數量等參數的定量關系，進而對附有延性耗能構件的整體結構進行分析，研究出含有新型合理控制裝置的結構體系；

4、加強關于混合控制和半主動控制裝置的試驗研究及工程試點建筑研究，理論分析的試驗結果有時會與實際情況存在較大誤差，通過試點建筑研究可以檢驗和保證控制裝置的可靠性及實際控制效果，以期達到實用化要求；

5、關于半主動控制和主動控制裝置的實驗研究以及作動器、傳感器的數量、位置和控制參數的優化研究，達到結構振動控制的最理想效果，以實現結構控制“智能化”的要求。

四、結語

綜上所述，一定要加大對建筑工程結構振動控制技術的研究，從而能夠不斷滿足社會的發展要求。同時，對于當前的結構振動控制而言，一定要加大對穩定性高、能耗少、造價低的控制裝置進行研究，從而能夠推動結構振動控制技術在相關的領域中得到廣泛的應用。

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