土木工程結構振動控制的研究進展

張尉

摘要：緊跟著信息技術的進步，信號處理和采集技術以及傳感技術都取得一定的發展，尤其是土木工程結構振動控制技術的研究目前已經獲得一定的成功，對應的技術也在實踐中得到廣泛應用。本文主要闡述了土木工程結構振動控制技術的實情，并對其進行了合理的介紹。

關鍵詞：土木工程;結構振動控制技術;實情

1.土木工程結構振動控制的相關內容

對于減振結構來說，主要是土木工程結構的抗側力裝置，通過在這個裝置中裝備相關的零件來促使減振目標的實現。當土木工程結構受到一定破壞的時候，相關的裝置就會具備一定的彈塑性，從而能夠有效的對受到破壞的時候所產生的能量進行消耗以及吸收，同時也能避免對土木工程機構產生巨大的影響，從而能夠滿足減振的要求。

2.土木工程結構振動控制的分類

依據是否需要外界能源，結構控制可分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制四類。

2.1、被動控制

被動控制不需要提供外部能量，而通過減震、隔震裝置來消耗或轉移振動能量，同時阻止振動在結構中的傳播，它具有構造簡單、造價低、易于維護且無需外界能源支持等優點而被廣泛應用。被動控制主要包括基礎隔震、耗能減震和調諧減震。基礎隔震就是在建筑物或構筑物基底設置控制機構來隔離地震能量向上部結構傳輸，使結構振動減輕，避免地震破壞。隔震裝置必須具備以下條件：具有較大的變形能力;具有足夠的初始剛度和強度;能提供較大的阻尼，具有較大的耗能能力。

調諧減震技術是在主體結構中附加子結構，使結構的振動發生轉移，使結構的振動能量在原結構和子結構之間重新分配，從而減小原結構的振動。目前主要的調諧減震裝置有調諧質量阻尼器、調諧液體阻尼器、調諧液柱式阻尼器、擺式質量阻尼器、質量泵、液壓質量控制系統、懸掛結構體系等。

調諧質量阻尼器（TMD）是在結構中設置由質量、彈性元件和阻尼器組成的裝置，其減震機理是結構振動時TMD系統將一部分振動能量吸收從而達到減小結構反應的目的。調諧液體阻尼器（TLD）是一種固定在結構上的具有一定形狀的盛水容器，其減震機理是在結構振動時帶動容器中的液體晃動，液體波與容器箱壁碰撞而產生控制力，同時液體晃動將吸收一部分能量，這兩方面的因素減小了結構的振動反應。

2.2、主動控制

（1）控制系統的硬件和軟件的滯后性及有效控制性等問題尚需進一步解決;（2）突發地震時外部能源的正常供應問題;（3）設備的常年維護問題;（4）造價昂貴問題;（5）抗震抗風的同時有效控制問題。主動控制根據控制力是否依賴結構響應或外界激勵可分為：閉環控制、開環控制和開閉環控制。目前研究和工程應用較多的是閉環控制。根據控制器的不同，主動控制又有主動調諧質量阻尼器、主動錨索之分。主動調諧質量阻尼系統是利用傳感器時刻監測結構反應（位移、速度或加速度），并根據卡提閉環控制理論，計算機接受傳感器信息并瞬時改變狀態矢量和反饋矢量得出控制力，接著電液伺服裝置將最優控制力施加于結構，以控制其運動和變形。主動錨索控制是利用傳感器把結構的反應傳給計算機，計算機進行優化分析計算出所需要的控制力，驅動液壓伺服系統，該系統通過錨索對結構施加控制力，從而有效地減小結構反應。該裝置已被應用到實際結構中，用于控制風振反應。

2.3、半主動控制

半主動控制是通過改變結構的動力特性來減震的。1960年日本Kobori最早提出了結構變剛度的概念，1983年Hrovat研究了土木工程結構的半主動控制問題。半主動控制與主動控制相比，它所需外部能量小得多，維護要求不高，更容易實施也更為經濟，而且控制效果又與前者接近，因此半主動控制具有較大的研究和應用開發價值。常見的半主動控制系統有主動調諧參數質量阻尼系統、可變剛度系統、可變阻尼系統、變剛度變阻尼系統等。

2.4、混合控制

混合控制是將主動控制和被動控制同時施加在同一結構上的結構減震控制形式。根據所起作用的相對大小來看，可分為主從組合方式和并列組合方式，前者是以某一控制為主控制部件，其它部件通過主要部件對結構進行控制;后者是兩種控制各自獨立工作而對結構進行控制;近年研究較多的是以被動控制為主、主動控制為輔的主從組合方式。

3.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。

4.結語

綜上所述，一定要加大對土木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。