李春偉/華北理工大學(xué)

結(jié)構(gòu)振動控制概況綜述

李春偉/華北理工大學(xué)

結(jié)構(gòu)振動控制在土木工程領(lǐng)域的研究已有近半個世紀(jì)的發(fā)展歷程，其研究范疇大體又分為無源的被動控制和有源的主動控制。本文簡要敘述了被動控制、主動控制、半主動控制以及混合控制的發(fā)展概況及應(yīng)用，作出了對振動控制技術(shù)在未來土木工程領(lǐng)域的展望。

振動控制；被動控制；主動控制；半主動控制；混合控制

前言

傳統(tǒng)的抗震方法就是“以剛克剛”，提高建筑物結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度來抵抗地震作用。由于傳統(tǒng)抗震方法過度依賴結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，對于構(gòu)件所造成的損傷卻沒有考慮周全。1972年，美籍華人姚治平利用現(xiàn)代控制理論，把振動控制應(yīng)用到土木工程結(jié)構(gòu)抗震中來[1]，此后，土木工程結(jié)構(gòu)振動控制迅速發(fā)展。結(jié)構(gòu)振動控制按照有無能量的輸入可以劃分為被動控制即不需要能量輸入，主動控制即需要能量輸入，半主動控制以及混合控制即主動控制與被動控制的混合[2]。

一、被動控制

被動控制是不需要提供外部能量的，是一種完全依靠自身的抗震減震方法。在建筑物結(jié)構(gòu)增設(shè)外部隔震或耗能構(gòu)件，有的利用建筑物自身的某些構(gòu)件，用來消耗地震帶來的巨大能量，以減少地震對上部建筑物的破壞。被動控制主要是應(yīng)用隔、吸、耗的方法弱化強(qiáng)大的地震能量，以達(dá)到減震的目的。

（一）基礎(chǔ)隔震

基礎(chǔ)隔震技術(shù)研究的比較早，無論是國內(nèi)還是國外都有了很大的發(fā)展和實際應(yīng)用。最早于1881年，由一位日本學(xué)者河合浩藏提出了基礎(chǔ)隔震的思想。1969年南斯拉夫在災(zāi)后重新建設(shè)的建筑物中，有采用橡膠支座的設(shè)置。1993年，由周福霖教授等在廣東汕頭建成的第一座橡膠隔震建筑，經(jīng)歷了臺灣海峽地震，證明基礎(chǔ)隔震技術(shù)的可行性[3]。

隔震技術(shù)是通過在建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)與建筑物上部的結(jié)構(gòu)之間增設(shè)一層用于隔震的隔振墊，隔振墊可以吸收地震的能量。由于隔振墊的存在，將大地與結(jié)構(gòu)隔開了，也就是地震時大地在晃動，而結(jié)構(gòu)不受地震的影響，從而達(dá)到減震的目的。除了利用橡膠墊作為隔振墊，還有滑動摩擦隔震、鋼筋瀝青復(fù)合隔震、摩擦擺隔震以及組合隔震等多種隔震體系[4]。

（二）吸能減震

吸振減震是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置一個吸振子系統(tǒng)，當(dāng)?shù)卣饋砼R時，這個吸振子系統(tǒng)會同結(jié)構(gòu)一起振動，承擔(dān)其中的能量而保護(hù)結(jié)構(gòu)不受破壞。吸振子系統(tǒng)主要有質(zhì)量系為固體的調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)（TMD）和質(zhì)量系為液體的調(diào)諧液體阻尼器（TLD）等[5]。

（三） 耗能減震

耗能減震是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能元件或耗能系統(tǒng)，改變結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼，將地震能量消耗，避免震動能量傳到上部，以保證建筑物的安全性。主要的耗能裝置大體可以分為摩擦耗能、粘性和粘彈性阻尼器、金屬阻尼器[6]。摩擦耗能裝置在巨大的地震能量下會產(chǎn)生滑移，通過滑移摩擦消耗能量，降低地震對建筑物結(jié)構(gòu)的能量輸入，使建筑物不受破壞。阻尼器作為耗能裝置需要這種材料在進(jìn)入塑性階段后具有良好的滯回性能，金屬材料也便作為這種阻尼器的最佳材料。粘性和粘彈性阻尼系統(tǒng)的應(yīng)用也有很多，紐約的世貿(mào)中心大廈就使用了粘彈性阻尼器。

耗能減震技術(shù)可應(yīng)用各種結(jié)構(gòu)，在減震性能方面也比較突出，因而耗能減震有較大的研究價值。

二、主動控制

結(jié)構(gòu)主動控制原理，當(dāng)?shù)卣鸬韧饨绺蓴_發(fā)生時，通過傳感器的感應(yīng)傳輸給計算機(jī)主機(jī)，計算機(jī)利用主動控制算法對反饋來的外界干擾進(jìn)行分析計算，得出最優(yōu)主動控制力，主機(jī)再控制主動控制作動器進(jìn)行運作。主動控制即利用作動器巨大的能量輸出，來抵抗地震等外界干擾，從而使建筑物結(jié)構(gòu)達(dá)到抗震減震的成效。

隨著結(jié)構(gòu)振動控制理論和控制系統(tǒng)的研究和興起，這種主動的抗震方法能夠更好的滿足建筑物結(jié)構(gòu)的抗震性能。它可以根據(jù)外界的干擾自行調(diào)節(jié)建筑物的阻尼、剛度和抗力，并輸入能量抵消外界干擾，以保證結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。這種積極主動的抗震技術(shù)適合絕大部分結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域有很大的發(fā)展前景。主動控制可以有效的保護(hù)設(shè)備設(shè)施，通過反饋等智能技術(shù)做出最優(yōu)保護(hù)方案，使建筑物在提高抗震減震方面提供了一個新途徑。

三、半主動控制

主動控制的完成需要輸入大量的能量去使液壓伺服作動器或電機(jī)伺服作動器運轉(zhuǎn)，而半主動控制則需要較少的能量便可實現(xiàn)抗震減震的效果。半主動控制是一種將主動控制與被動控制融合在一起并結(jié)合為一體的方法。在被動控制基礎(chǔ)上加上只要較少能量的主動控制，各取所長，是目前比較經(jīng)濟(jì)適用的方法。我國學(xué)者也于上世紀(jì)末本世紀(jì)初，對主動變阻尼控制進(jìn)行了一系列研究[7]。

四、混合控制

混合控制是應(yīng)用以上兩種或更多的控制方法，將其混合使用?；旌峡刂迫”怂L補(bǔ)此所短，做到經(jīng)濟(jì)適用、便于施工、效果最優(yōu)。其中有在基礎(chǔ)隔震的基礎(chǔ)上增加主動控制，基礎(chǔ)隔震吸收能量減少對上部結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，加上主動控制進(jìn)一步減少結(jié)構(gòu)的位移。還有主動控制與耗能減震裝置的混合，液壓阻尼系統(tǒng)與主動質(zhì)量阻尼器的混合等等[8]。

五、結(jié)束語

結(jié)構(gòu)振動控制是一門新興的綜合性學(xué)科，它需要精密的反饋裝置來傳輸信息，強(qiáng)大的計算機(jī)性能保障整個運行過程，精確且智能的控制算法來確定最優(yōu)控制力，以及作為吸耗能的重要材料。

總結(jié)全文有以下幾點：

1.基礎(chǔ)隔震性能的好壞與隔震材料的性能有關(guān)，對于自重不大的低層建筑是不錯的選擇，但對于自重較大的高層建筑來說，隔振墊還要承受結(jié)構(gòu)的自重，普通隔振墊就很難發(fā)揮很好的效果，這就需要研制性能更加良好的隔振材料。

2.由于吸能耗能減震是靠吸能耗能裝置的作用，所以，吸能耗能裝置的研究對于結(jié)構(gòu)抗震來說意義很大。

3.由于需要較大能量的消耗，這種高成本的主動控制的研究并不是很熱門，但是主動控制卻是在結(jié)構(gòu)抗震減震方面取得的成績令人引以為傲。而控制算法的研究是未來的研究發(fā)展方向。

4.半主動控制只需要少量能的消耗便可得到和主動控制相近的減震效果，比僅僅使用被動控制或者僅僅使用主動控制來說，工程可行、效果顯著，是現(xiàn)在研究者們熱衷于研究的方向。

5.混合控制將幾種控制方法混合使用，各需所長，是未來結(jié)構(gòu)抗震減震的發(fā)展趨勢。

[1]Yao J T P. Concept of Structural Control[J]. Journal of the Structural Division, 1972, 98(7): 1567-1574.

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[4]尚守平, 崔向龍. 基礎(chǔ)隔震研究與應(yīng)用的新進(jìn)展及問題[J].廣西大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2016, 41(1): 21-28.

[5]田曉磊, 喬楓. 建筑工程結(jié)構(gòu)振動控制方法綜述[J]. 中國科技投資, 2012 (30): 95-95.

[6]周云, 劉季. 耗能減震技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 世界地震工程, 1995 (1): 20-28.

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[8]劉季, 周云. 結(jié)構(gòu)抗震控制的研究與應(yīng)用狀況(下)—主動控制, 混合控制及半主動控制[J]. 哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報, 1995,28(5): 1-6.