土木工程結構振動控制技術的發展

王 偉

(安徽建筑大學，安徽 合肥 230601)

1 技術概念發展研究

大自然中振動現象比比皆是，笛子通過空氣振動，發出美妙的音樂。醫學上核磁共振能夠檢測身體狀況；工程應用上也能夠通過合理利用振動來夯實基礎。但并非所有的振動效應都有助于人類生活，相反有些振動并不利于人類生活所需，從而就有了控制振動的技術，以減少振動的有害影響。

振動控制技術由來已久，早在2000年前，我國智慧人民就成功將“以柔克剛，隔振消能”的振動控制理念應用在結構復雜的宮殿、城墻、塔樓之中，使得這些古建筑能夠完整保存至今，為現在的土木工程結構振動控制技術提供了優良的經驗，從而得以推廣、應用到各種復雜的建筑結構中。從古至今，振動控制技術一直不斷完善，從近代開始，土木工程結構振動控制技術得到了極大的發展，使得以基礎隔振技術為代表的一系列技術得到了有效的應用，并逐步發展為以智能控制理論為基礎的智能結構振動控制技術體系。基于此，對上述技術發展進程及成果進行研究，對于我國土木工程結構振動控制技術實用性的進一步提升具有非常重要的意義。

結構振動控制概念首次提出于1960年，首次在土木工程中應用的時間為1972年，經過多年的發展，土木工程結構振動控制理論已經趨于成熟。2017年，我國學者竇超經《祖國》形式將以結構動力學為基礎的多樣化工程結構確定性或隨機性的振動問題提出了研究成果、并將今后一段時間內的變化更新方向信息公諸于眾，在改變文章中對振動控制理論概念進行了進一步總結[1]。他提出：以往的土木工程結構振動控制主要是利用電磁、機械、液壓等裝置，來阻止土木工程結構中有害振動的理論、方法。相較于傳統抗震設計而言，結構振動控制技術可以在較大程度上蓋板結構體系的阻尼、周期等動力特性，并利用轉移、隔離、耗散等方式，削弱地震能量，減小結構體系面臨的地震反應，達到控制結構振動的目的，保證主體結構穩定，滿足在地震作用無法確定的情況下，提高土木工程結構實用性能，達到安全性能的要求。

2 技術類別發展研究

2.1 主動控制(含半主動控制)

主動控制技術的另外一種稱謂是有源控制，是一種需要由外部提供的能量因子，支撐內部系統反饋監督以及糾正偏差，強調在監控測度較小模塊搭配而成的整體體系中，運動式轉變狀態的同時，經伺服反饋管控裝置，對小模塊搭配而成的整體體系施加一定的正確方向偏離差錯糾正力量[2]，以達到主動控制結構振動的目的。主動控制主要包括控制力型、參數控制型、智能控制這三類。

2.1.1 控制力型

對于控制力型而言，在實施階段需要以土木工程結構振動方向為樣本，朝著與樣本迥然不同的方向進行一個控制力量的施加，實現結構控制。關于控制力型的主動控制研究源于上世紀80年代，至上世紀90年代才陸續產生了關于土木工程結構振動控制理論和實踐的研究，現如今已形成了包括脈沖發生器、主動支撐系統、主動拉索系統、主動質量阻尼系統在內的技術體系，基于此，實際工程結構振動控制的應用也在逐漸完善。近幾年，越來越多的學者將視線轉移到了土木工程結構振動主動控制的實踐優化上。比如，2019年，部分學者公諸于眾的文章中進一步討論了基于結構動力學的大傾角塔柱結構確定性或隨機性振動工藝實施要點，初步保障了塔柱工藝作業開展處于無顯著確定性或隨機性振動的狀態。

2.1.2 參數控制型

主動控制中，參數控制又可稱之為結構性能可變型，通過調節部分結構參數來控制振動效應，在土木工程結構振動控制中，參數控制僅需極少的能量，就可以改變結構振動周期、調節控制器參數、增加阻尼，達到減小地震反應的目的。除變摩擦控制以外，結構性能可變型還包括變剛度控制、變阻尼控制等多種類型。

2020年，何文福、蔡培、許浩在發表于《結構工程師》的《基于變剛度的組合系統的隔振性能研究》中針對當前普通隔振支座中，存在著隔振減振效果不佳的問題，并針對此文題，提出了一種以往尚未提出的組合系統振動隔離裝置，并以單一模塊向整體模塊發展為遵循依據，在所受應力下形狀變化性質特別的情況下，進行了振動力恢復模型構建，完善了前期相同或相近專業研究個體或群體均沒有發表的意見。他們所提出的變剛度控制組合系統主要是將變孔流體阻尼器設置在受控土木結構層之間，并將電磁閥開關設置在液壓缸旁通回路上，液壓缸整體位于樓層下部，經活塞桿與樓層上部連接。在水平地震動力影響下，受控土木結構層會發生相對位置的連續變動。這種情況下通過調節電磁閥開關就可以由活塞帶動液壓缸內油自由流動，維持結構層剛度一定。

2020年，高海昌、梅志遠、楊國威等經《復合材料學報》刊物將《夾層結構主動溫控變阻尼振動控制技術》文章公之于眾。刊物中以推動夾層結構抑制振動需求向更高水平發展為主旨，探究了基于主動溫控變阻尼的土木夾層結構確定性或隨機性振動工藝控制手段。該項研究根據高分子聚合材料在玻璃化轉變區的超高阻尼特殊性質，提出了一種以土木夾層結構高分子聚合芯材為主體的溫度控制方法。利用聚氨酯改性環氧材料(芯材)與中間層加熱膜組成的溫度控制技術，可以控制夾層梁溫度在玻璃化的過程中，轉化周邊振動響應幅度，達到有效的土木工程結構振動抑制效果。

2.1.3 智能控制

智能控制顧名思義，是一種將結構振動控制理論與人工智能結合的技術，其源于我國頻繁遭受地震災害困擾下，土木工程安全性、抗震性能亟需增強的現狀，但目前還處于初步試驗階段，需要更加配備強大的能源系統、軟件、硬件作為支撐。但也已經有一部分研究者開始將智能控制理念應用于振動控制實踐。比如，2017年，部分學者在公之于眾的研究過程中，基于磁流變液對雜質污染不敏感、存在磁流變效應、相對工作溫度范圍變化大、電壓相對小的特征情況下，分析了流動模式、擠壓模式、混合模式、剪切模式對智能控制效果的影響，并明確提出采用流動模式+剪切模式的組合，可以有效減緩土木工程結構的振動效應[3]。為智能控制結構振動提供新的實踐，并積累了智能控制對結構振動的應用經驗。

2.2 被動控制

被動控制又可稱之為無源控制，其不需要監測體系運動狀態，且沒有外界能源的支撐。通過自身的反饋系統來實現結構振動控制的要求，被動控制主要包括耗能吸能減振、基礎隔振這兩大類。

2.2.1 耗能吸能減振

耗能吸能減振主要是以土木工程結構體系為目標，進行吸振器、阻尼器的恰當設置，利用相關裝置達到耗散、吸收結構振動能量的作用。在現實環境中應用頻率處于突出水平的調諧質量阻尼系統首次提出于上世紀40年代，起初被用于控制建筑物風振反應。隨后在上世紀70年代開始應用于土木結構振動控制。比如，美國紐約世界貿易大廈中心大樓、澳大利亞悉尼電視塔分別在頂部、中部安裝了調諧質量阻尼器，有效控制了結構的振動反應。而2020年，國內行業研究人員徐滿清，鹿守山，盛國君也選擇《南昌工程學院學報》刊物將相關研究成果公之于眾[4]，更進一步拓展調諧質量阻尼系統的應用。近幾年，調諧質量阻尼系統逐漸區域成熟，將其應用于大跨度橋梁中，可以有效提高橋梁舒適度、安全性；除此之外，在現實工程實施中表現最為突出的是調液質量阻尼器減振系統，其首次應用于固定式海洋平臺上的儲液罐，從上世紀80年代開始引入到地面，并逐漸在土木工程結構振動控制中得到應用，發展至今，技術體系更加成熟。比如，在2019年，朱林、蘇振開始合作研究，并選擇《內蒙古科技與經濟》刊物作為合作研究成果發表載體。在載體中指明調液阻尼器能夠以儲液箱為承載單元，來減緩高層建筑結構左右微小的運動幅度[5]。

2.2.2 基礎隔振

基礎隔振技術主要是在被分隔的結構部分之間，進行隔振裝置的設置，達到改變土木工程結構體系自振的特殊性質，消耗或消除輸入結構地震能量的目的。當前以夾層橡膠墊隔振技術應用體系最為完善。比如，劉明雨于2018年，在《山西建筑》期刊中，發表了題為《橡膠隔振支座夾層橡膠墊豎向性能研究》的文章。文章中提出了一個鮮明的觀點：夾層橡膠墊隔振概念不存在組成結構紛繁性的問題，其建造資金無額外缺失點、運行過程無不確定沖擊因子等優良特點決定了其大面積應用價值。

2.3 混合控制

混合控制就是將主動控制、被動控制聯合之后的技術，不僅可以發揮被動控制系統在振動能量耗散方面的優勢，而且還可以利用主動控制系統的優良作用，更加有效地對土木工程結構施加抑制操作，大大降低土木工程結構的振動影響。當前，混合控制已經有成功應用于橋梁土木結構振動控制的實例，并且在結構振動控制適用性和穩定性等方面表現較佳。比如，2019年，部分學者以設備-結構體系為中心，利用振動臺加載控制功能，以自由度縮減后的土體作為樣本，憑借仿真軟件核算功能，驗證了后者極高的推廣價值。

從類別劃分上來看，除主動質量阻尼系統+調諧質量阻尼系統以外，土木工程結構振動混合控制還包括耗能吸能減振+主動溫控變阻尼、質量雙調諧阻尼器、主動溫控系統+基礎隔振系統幾種類別。比如，2017年，部分學者類推了研究樣本的減振核算公式，并對具體設計方法進行了歸納。在這個基礎上，依托調諧質量阻尼器的有限元模型下的單自由度體系，在初始位移一定的情況下，開展了自由振動試驗。實驗結果表明：液體質量雙調諧振動器具有較大的可行性、并能夠準確減少結構振動效應，且設計過程較為簡便，可以滿足30層框架結構在地震影響下的減振作用。

3 工程應用發展研究

大跨徑橋梁的結構剛度、阻尼均處于一個較小的數值，在交通工具、地震、風等外界激勵下極易出現較大的結構響應，勢必需要嚴格控制振動影響，防控因結構振動而引發的行人、行車不適感或者結構疲勞破壞、動力失穩問題，甚至較少橋梁結構的使用壽命。近幾年，越來越多的學者結合大跨徑橋梁工程實際情況，研究了新型振動控制技術的應用，并通過實驗分析了現有土木工程結構振動控制技術的優勢及存在的不足。比如，2019年，劉小璐、蘇成、李保木等學者選擇將合作研究成果公之于眾，成果展現渠道為《土木工程學報》，成果展現核心論點為地震激勵的行波效應以及局部場地效應下，兼具調諧質量阻尼器和調諧液體阻尼器的新型阻尼減振系統具有更好的減振效果，且更具耐久性[6]，為大跨徑橋梁的減振提供了較好的解決辦法。

4 總 結

綜上所述，根據外部能源是否輸入這一標準，可以將土木工程結構控制技術劃分為主動、被動、混合控制幾個類別。常用的主動控制技術包括控制力型、結構性能可變型(含半主動控制)；常用的被動控制技術為基礎隔振、耗能吸能減振；混合控制裝置則指主動控制+被動控制的不同組合形式。

經過眾多學者長時間堅持不懈的研究，相關技術得到了顯著的變化更新。在后續發展進程中，這項技術中的被動控制有望憑借已開展的實際工程經驗更加實用化、科學化、規范化，而半主動控制、混合控制技術的試驗試點范圍有望進一步拓展，逐步邁向實用化進程。