土木工程結構振動控制技術的發展

呂凌霄

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，同時也帶動了我國土木工程的快速發展，而在土木工程結構中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，但這種方法的作用與安全性相對是較低的，因為人們對結構未來可能遭遇的地震動的強度和特性還不能夠準確地進行估算，并且根據傳統方法設計的結構其抗震性能也不具備自我控制和自我調節的能力，所以在這種不確定性的地震作用下，結構的安全性能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。

關鍵詞：土木工程；震動控制；發展

前言

緊跟著社會的不斷進步，土木工程也得到一定的發展。同時，緊跟著科學技術的快速發展，人類抗災的能力也越來越高。但是，依舊需要引進先進的技術，不斷對設備進行創新，因為傳統的防震技術的作用不大，會對人們的生命安全產生一定的威脅。當發生地震的時候，結構不能支持的時候就會產生十分嚴重的破壞。為此，一定要重視土木工程結構振動控制技術的不斷優化創新。

一、被動控制

被動控制是一種不需要外部能源的結構控制技術，一般是指在結構的某個部位附加一個子系統，或對結構自身的某些構件做構造上的處理以改變結構體系的動力特性。被動控制因其構造簡單、造價低、易于維護且無需外部能源支持等優點而引起了廣泛的關注，并成為目前應用開發的熱點，許多被動控制技術已日趨成熟，并已在實際工程中得到應用。

二、主動控制

主動控制是一種需要外部能源的結構控制技術，它是通過施加與振動方向相反的控制力來實現結構控制的，其工作原理如下：傳感器監測結構的動力響應和外部激勵，將監測的信息送入計算機內，計算機根據給定的算法給出應施加的力的大小，最后，由外部能源驅動，控制系統產生所需的力。如果傳感器僅測量結構響應的信號，稱控制系統為閉環控制；如果傳感器僅測量外部激勵的信號，稱控制系統為開環控制；如果傳感器同時測量結構響應和外部激勵的信號，則稱控制系統為閉-開環控制。主動控制可分為控制力型和結構性能可變型（半主動控制）兩類。

2.1 控制力型

它的特點是采用能檢測結構及外干擾振動的傳感器，將傳感器獲得的信號作為控制振動的控制信號，通過作動器隨時向結構施加控制力，以便及時控制結構的動力反應。控制裝置大體上由儀器測量系統（傳感器）、控制系統（計算機）、動力驅動系統（作動器）等組成。目前研究開發的控制力型主動控制裝置主要有：主動質量阻尼系統、主動拉索系統、主動支撐系統、主動空氣動力擋風板系統、氣體脈沖發生器系統等。

2.2 結構性能可變型（半主動控制）

它是利用控制機構來主動調節結構內部的參數，使結構參數處于最優狀態，所需的外部能量比控制力型小得多。比起控制力型主動控制，結構性能可變型主動控制更容易實施而且也更為經濟，而控制效果又與前者相近，因此結構性能可變型主動控制目前具有更大的研究和應用價值。結構性能可變型主動控制往往采用開關控制或稱為”0-1”控制，通過開關改變控制器的工作狀態，從而改變結構的動力特性。目前，較為典型的結構性能可變型主動控制裝置有：可變剛度系統、可變阻尼系統、主動調諧參數質量阻尼系統、可控（電流變或磁流變）液體阻尼器、可控摩擦式隔振系統等。

三、混合控制

混合控制是主動控制和被動控制的聯合應用，使其協調起來共同工作。這種控制系統充分利用了被動控制與主動控制各自的優點，它既可以通過被動控制系統大量耗散振動能量，又可以利用主動控制系統來保證控制效果，比單純的主動控制能節省大量的能量，因此有著良好的工程應用價值。

四、有待研究的控制問題

結構控制這一課題，近年來，受到了多個領域的學者與專家的高度重視，越來越多的控制專家投身于該研究中，在理論上取得了不少新結果，在應用上成功的例子也很多，但仍有一些問題有待進一步深入探討。

3.1 從控制器設計角度的建模與模型簡化

由于結構系統維數高，含有未建模動態特性及參數不確定性等，研究面向低階魯棒控制器設計的辨識方法及模型簡化技術等問題是具有實際意義的，同時對于含智能材料的結構，由于材料的強非線性，對材料與結構間的非線性相互作用的辨識也需進一步研究。

3.2 結構控制中的非線性控制

研究帶有滯回環及飽和的非線性控制問題，這類問題本身在控制界有著廣泛的興趣，另外智能控制如模糊控制等在非線性結構控制中會有很好的應用前景，也值得深入探討。

3.3 結構控制中的混合控制

不同類型的控制算法集成的研究即混合（hybrid）控制方式目前是控制界極受關注的問題，在結構控制中研究主動與被動控制間的最優混合，是具有實際意義的方向.此外，利用一些主動控制算法進行結構設計參數的優化問題也值得進一步研究。

五、結構振動控制技術的展望

我國改革開放以來，土木工程結構控制技術得到了飛速發展，就目前形勢來看，之后的很長一段時間里，被動控制技術的實用化與規范化將會是結構控制技術的發展趨勢。對耗能吸能減振、基礎隔振等，進行系統處理，并編入新制訂的結構設計規范中，這樣做有利于推進其在工程實踐中的應用廣泛，使土木工程結構控制技術漸漸的趨于實用化與規范化，將試點工程的研究、混合控制技術、半主動控制的實驗研究進行有效加強。雖然當今結構控制技術在土木工程中還沒有得到廣泛的應用，但由于其自身所擁有的優勢已經非常明顯，所以其良好的應用前景是毋須置疑的。

結束語

綜上所述，結構振動控制的發展與其巨大的經濟效益和社會效益已初步得到證明。當前結構控制技術的應用開發仍然存在一些有待進一步研究的問題有各種耗能少、造價低、穩定可靠且施工簡便的控制裝置的研制開發及推廣應用；基于隨機振動理論的結構時變、非線性控制的研究；主動控制的時滯研究以及傳感器、作動器的數目和位置的最優化研究等，這是結構主動控制技術推廣應用的關鍵。但是縱觀近幾年來土木工程結構振動控制研究與應用已取得長足的進展，因此有理由相信，采用結構控制技術的智能型隔振減振結構將會是不久的將來人們的現實追求。

參考文獻

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