趙有澤

結(jié)構(gòu)振動控制是20世紀60年代控制理論在結(jié)構(gòu)工程中加以應(yīng)用而形成的一門交叉學(xué)科,主要研究在風(fēng)或地震等動力荷載作用下減小結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)、改善結(jié)構(gòu)性能的技術(shù)途徑、裝置和方法,以及各種控制算法等。目前,結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域正處在蓬勃發(fā)展的階段。

1 振動控制概述[1-4]

土木工程振動控制一般按是否有外界輸入能量可將其分為主動控制與被動控制兩大類,以及由這兩種方式結(jié)合而進一步形成的半主動控制和混合控制。

被動控制是最早研究和使用的結(jié)構(gòu)控制方式,具有無需外部能源、易于實現(xiàn)的突出優(yōu)點,因而在工程中獲得廣泛的應(yīng)用。但控制效果受到一定限制,對復(fù)雜多變的外部環(huán)境的適應(yīng)能力較差。常用的被動控制方式有:1)基礎(chǔ)隔振;2)消能構(gòu)件減振體系;3)耗能器減振;4)吸振器減振。

結(jié)構(gòu)主動控制首先由美國普渡大學(xué)的J.T.P.YAO教授于1972年提出,確定了結(jié)構(gòu)主動控制研究的開始。結(jié)構(gòu)主動控制主要的控制方式有:主動調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(AMD:Active Mass Damper),主動錨索控制,脈沖控制,空氣動力擋風(fēng)板等。

半主動控制是一種根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)或動荷載的信息來實時改變結(jié)構(gòu)的參數(shù)(如阻尼、剛度等),以減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的控制方式。目前已有一定研究的半主動控制方式主要為主動變剛度和主動變阻尼控制。

混合控制是將主動控制與被動控制同時施加在同一結(jié)構(gòu)上的振動控制方式,是一種充分利用主動、被動控制優(yōu)點、克服各自缺點的策略,與半主動控制不同,混合控制可以根據(jù)不同控制裝置的特點及結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)特性,將幾種控制裝置同時安裝于結(jié)構(gòu)上(同時設(shè)置主、被動控制系統(tǒng)),通過合理設(shè)計主動控制準則以盡可能減小能量需要,提高系統(tǒng)的可靠性,具有控制效果好,造價低,易于實現(xiàn)等優(yōu)點,因而具有廣闊的應(yīng)用前景?；旌峡刂葡到y(tǒng)主要有以下幾種:1)AM D與TMD相組合的控制系統(tǒng);2)主動控制與耗能裝置相結(jié)合的控制系統(tǒng);3)主動控制和基礎(chǔ)隔振相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)等。

2 半主動控制研究現(xiàn)狀[5-7]

半主動控制一般分為半主動隔振系統(tǒng)、主動變剛度控制系統(tǒng)、主動變阻尼控制系統(tǒng)以及主動變剛度變阻尼控制系統(tǒng)四種。下面主要簡述變剛度和變阻尼控制系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)變剛度控制是通過探測并預(yù)見地震的特性或利用變剛度控制裝置來改變結(jié)構(gòu)的附加剛度,從而改變結(jié)構(gòu)的剛度,使結(jié)構(gòu)的周期避開地震的卓越周期,建立一種所謂的非共振狀態(tài),從而達到減少結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)的目的。從能量轉(zhuǎn)換的角度而言,主動變剛度控制是通過剛度元件的變形將結(jié)構(gòu)部分振動能量轉(zhuǎn)化為剛度元件的彈性應(yīng)變能,同時阻尼元件消耗部分結(jié)構(gòu)振動能量,達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。1990年日本學(xué)者Kobori等首先提出了結(jié)構(gòu)主動變剛度控制的概念,并提出了一種“主動變剛度系統(tǒng)”(AVS),如圖1所示,且提出了結(jié)構(gòu)主動變剛度非共振算法。應(yīng)用該主動變剛度系統(tǒng),1990年建成了世界上第一幢采用半主動控制的建筑物——東京鹿島技術(shù)研究所大樓。另一種變剛度系統(tǒng)是由Richter提出的“能量消散約束”裝置(EDR),該裝置在加載和卸載時可以提供不同的剛度。第三種變剛度裝置是Nagarajaiah和Mate 1998年提出的半主動連續(xù)變剛度的調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(SCVS-TMD:Tuned Mass Damper with Semi-active Continuous Variable Stiffness),美國Bufalo地震研究中心的梁鐘等研究者開發(fā)結(jié)構(gòu)參數(shù)實時調(diào)節(jié)系統(tǒng),該系統(tǒng)僅僅應(yīng)用簡單的兩態(tài)開關(guān)控制支撐或繩索的連接和脫離,試驗和理論分析均表明效果很好。國內(nèi)劉季、李敏霞和歐進萍等學(xué)者1998年及之后進行了一系列有關(guān)結(jié)構(gòu)主動變剛度控制的研究工作,研究開發(fā)了足尺主動變剛度控制裝置,通過試驗驗證了該裝置具有良好性能,可提供480 kN的控制力,達到了設(shè)計的要求。

變阻尼系統(tǒng)由Hovat首先提出,可變阻尼器裝置原理圖見圖2。他對應(yīng)用可變阻尼器控制結(jié)構(gòu)的電液伺服閥振動反應(yīng)進行了研究,并進行了數(shù)值模擬計算,得到了變阻尼控制效果與主動控制接近的Active Variable Damper——AVD結(jié)論。

1994年Syman和Constantinous等研制開發(fā)了粘滯流體變阻尼控制器,在地震或風(fēng)荷載作用下,該阻尼器中的活塞和缸體就會在結(jié)構(gòu)的帶動下產(chǎn)生相對運動,此時液壓油在活塞的作用下由可變阻尼器液壓缸的一腔通過旁通管路和節(jié)流閥流入另一腔,由于液壓油在流經(jīng)旁通管路和節(jié)流閥時有壓力損失,因而產(chǎn)生了阻尼力,如圖2所示。

通過改變節(jié)流閥的開口大小可以確定阻尼力的大小,該阻尼器又稱為可變孔徑阻尼器。第二種變阻尼裝置是Akbay等提出可變摩擦阻尼器,這種阻尼器用一個摩擦桿與結(jié)構(gòu)的支撐剛性連接,通過調(diào)節(jié)滑動距離來確定摩擦面上的阻尼力。還出現(xiàn)了基于被動控制裝置的、可調(diào)節(jié)隔板孔洞的柱形液體阻尼器(TLCD)。

3 半主動控制策略及算法[8,9]

目前半主動控制結(jié)構(gòu)的控制算法主要是基于主動控制的算法,并盡量使半主動控制力跟蹤或?qū)崿F(xiàn)主動最優(yōu)控制力為原則的,具體的控制算法有振型控制、瞬時最優(yōu)控制、滑動模態(tài)控制等。同時,還有基于頻率分析的預(yù)測算法、STFT等。Yamada,K.,Kobori,T.等人提出了一種變結(jié)構(gòu)剛度結(jié)構(gòu)反應(yīng)控制的預(yù)測算法,且該方法已經(jīng)在一棟3層樓房的地震作用下的測試中被證實是可行的。Pnevmatikos等則提出了前饋變剛度主動控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可以在地震波到達建筑物之前發(fā)出警報,提示系統(tǒng)通過改變自身的剛度以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)自振頻率,避免與地震波發(fā)生共振,從而達到減小地震作用的目的。J.N.Yang,Wu.J.C等學(xué)者將變結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用在地震作用下建筑結(jié)構(gòu)的變剛度系統(tǒng)中,根據(jù)滑動模態(tài)控制法(SMC)設(shè)計了半主動控制系統(tǒng)的控制律。該方法非常適用于非線性和時變結(jié)構(gòu)。

4 半主動控制實用性研究的發(fā)展方向

當(dāng)前,結(jié)構(gòu)振動半主動控制應(yīng)用開發(fā)還存在著有待進一步研究的問題,即未來半主動控制實用性的主要發(fā)展方向:1)設(shè)計功能更強、實用性更好、價格低廉的半主動控制裝置,提高其加工工藝,制定其產(chǎn)品標準;2)進一步研究智能材料和結(jié)構(gòu)在半主動控制中的應(yīng)用;3)基于隨機振動理論的結(jié)構(gòu)時變和非線性半主動控制的研究;4)控制系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性、耐久性和經(jīng)濟論證,這是結(jié)構(gòu)主動控制技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵;5)多維地震動半主動控制技術(shù)的研究,控制由于剛度、質(zhì)量的不均勻分布而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動;6)更成熟、更穩(wěn)定、魯棒性更強的半主動控制律的研究;7)半主動控制的時滯處理方法以及傳感器與振動器的數(shù)量及位置最優(yōu)化研究;8)半主動控制系統(tǒng)的試驗研究,受控結(jié)構(gòu)體系的室內(nèi)地震模擬試驗研究,建立標準試驗規(guī)程和評價系統(tǒng)性能的指標;9)與半主動控制在線監(jiān)測、系統(tǒng)識別和控制計算相關(guān)的人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊理論的研究;10)結(jié)構(gòu)振動半主動控制系統(tǒng)商業(yè)軟件的開發(fā)和與現(xiàn)有抗震設(shè)計程序接口問題的研究;11)由于設(shè)置控制裝置所產(chǎn)生的控制力,引起半主動控制部位局部受力問題的研究。

5 半主動控制待解決的問題

半主動控制還有一些問題亟待解決:更先進、可靠、易于維護的半主動控制裝置的開發(fā);建立更符合實際的建筑結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型,避免對結(jié)構(gòu)參數(shù)的估計偏差;對結(jié)構(gòu)參數(shù)的可靠識別;控制器的分布位置優(yōu)化;時滯的考慮;結(jié)構(gòu)非線性效應(yīng)等。

6 結(jié)語

結(jié)構(gòu)振動控制是一種全新的、積極主動的結(jié)構(gòu)對策,半主動控制因其具有的所需外加能源極小、裝置簡單、不易失穩(wěn)且減振效果接近主動控制的特點,而具有很大的應(yīng)用潛力。

[1]歐進萍.結(jié)構(gòu)振動控制——主動、半主動和智能控制[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[2]張志涌.精通matlab[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[3]劉晶波,杜修力.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[4]武田壽一.建筑物隔振防振與控振[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[5]顧仲權(quán).振動主動控制[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[6]歐進萍,吳 波.被動耗能減振系統(tǒng)的研究與應(yīng)用進展[J].地震工程與工程振動,2001(30):26-27.

[7]歐進萍,關(guān)新春.土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的研究與發(fā)展[J].地震工程與工程振動,2001(25):32-34.

[8]沈亞鵬,王 健.建筑結(jié)構(gòu)振動控制的發(fā)展動態(tài)[J].力學(xué)進展,2002(20):44-46.

[9]謝凌志,于建華.結(jié)構(gòu)半主動控制的發(fā)展動態(tài)[J].四川建筑,2002(32):33-35.