田曉強(qiáng)

(華北理工大學(xué) 河北 唐山 063210)

前言

地震是一種嚴(yán)重威脅人類安全及損壞財(cái)產(chǎn)的自然災(zāi)害，地震具有突發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性，會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生很大的影響。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)是通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性變形能力抵抗地震力，其方法主要是通過(guò)加強(qiáng)加大空間剛度,設(shè)置剪力墻、圈梁、構(gòu)造柱，改善支撐體系，改進(jìn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，提高建筑材料的強(qiáng)度、延性等措施，使建筑物整體性增大，抗震性能得到提高。

土木工程振動(dòng)控制概念在1972年由美籍華裔學(xué)者姚治教授首次提出[1]，一直到現(xiàn)在，也還是國(guó)內(nèi)外研究的熱題。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制發(fā)展為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，其總體上可以劃分為為四個(gè)鄰域：被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和智能控制[2]。

一、被動(dòng)控制

被動(dòng)控制就是指依靠結(jié)構(gòu)自身或者在結(jié)構(gòu)上安裝的裝置來(lái)達(dá)到隔震、消能減震的的目的。被動(dòng)控制主要應(yīng)用為基礎(chǔ)隔震，吸能減震以及耗能減震。這樣的結(jié)構(gòu)不需要從外部輸入能量，完全依靠結(jié)構(gòu)自身調(diào)節(jié)，在造價(jià)上相對(duì)比較便宜而且易于施工。因而被動(dòng)控制成為結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制鄰域中應(yīng)用和研究比較廣泛的控制方法。

李洪發(fā)[3]開(kāi)展了大型撓性空間桁架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究，提出了阻尼被動(dòng)振動(dòng)控制方案,并進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究結(jié)構(gòu)顯示在共振區(qū)內(nèi)減振效果明顯，衰減迅速，證明了阻尼被動(dòng)控制在大型撓性空間桁架振動(dòng)控制上的有效性。

范雪梅[4]在被動(dòng)控制抗震技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種剪切型阻尼器—鉛阻尼器,并且對(duì)該鉛阻尼器進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究,給出了鉛阻尼器的耗能特點(diǎn)及計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果顯示出鉛阻尼能產(chǎn)生較強(qiáng)的耗能控制力，顯著改善了結(jié)構(gòu)薄弱層的抗震能力，減弱了傳至砌體結(jié)構(gòu)上的地震作用，達(dá)到了對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的目的。

王海飆，王龍鳳[5]從全壽命費(fèi)用對(duì)隔震建筑和傳統(tǒng)抗震建筑進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析,對(duì)初始造價(jià)、檢查維護(hù)費(fèi)和失效損失費(fèi)列出了費(fèi)用差異較大的指標(biāo)，并給出計(jì)算公式，在社會(huì)效益和環(huán)境效益方面做了定性分析，實(shí)例分析結(jié)果表明，隔震建筑比傳統(tǒng)抗震建筑更經(jīng)濟(jì),更適合社會(huì)的發(fā)展。

二、主動(dòng)控制

結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制是將自動(dòng)控制科學(xué)技術(shù)與結(jié)構(gòu)工程科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。主動(dòng)控制可以根據(jù)人們的期望來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)于結(jié)構(gòu)的控制效果。主動(dòng)控制在控制過(guò)程中需要輸入很大的外部能量，用來(lái)抵消地震對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響，這也是區(qū)別于被動(dòng)控制一個(gè)很重要的點(diǎn)。

袁樹(shù)清，趙玉成，許慶余等[6]利用壓電材料作為傳感器和作動(dòng)器，建立了柔性四連桿機(jī)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究建立了控制系統(tǒng)的模型；根據(jù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用了內(nèi)?？刂撇呗裕⒃诰唧w實(shí)施中，增加了參數(shù)辨識(shí)環(huán)節(jié)，使得控制器對(duì)于機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速變化具有魯棒性。將控制方案實(shí)施到柔性四連桿機(jī)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)之中，取得了滿意的控制效果。

張書(shū)揚(yáng)，張順琦，李靖等[7]根據(jù)一階剪切變形假設(shè)建立壓電智能結(jié)構(gòu)機(jī)電耦合靜力學(xué)平衡方程，用最小二乘的思想計(jì)算薄壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)定目標(biāo)形變的最優(yōu)靜電壓值。此外，為使結(jié)構(gòu)變形快速穩(wěn)定，減少驅(qū)動(dòng)變形產(chǎn)生的額外振動(dòng)，建立智能壓電結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，采用PID控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)形狀控制的主動(dòng)振動(dòng)抑制。最后以一多壓電致動(dòng)器懸臂梁為例，進(jìn)行形狀與振動(dòng)控制仿真，得到良好控制效果。

宋雪健，鄭賓，陳曄等[8]根據(jù)壓電智能結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，針對(duì)一類由懸臂梁、傳感器和壓電作動(dòng)器構(gòu)成的壓電智能梁系統(tǒng)的振動(dòng)主動(dòng)控制進(jìn)行了研究。利用壓電方程建立了壓電智能梁系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，采用線性二次最優(yōu)控制(LQR)對(duì)智能梁的振動(dòng)進(jìn)行了主動(dòng)控制。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：多種群遺傳算法比簡(jiǎn)單遺傳算法具有更快的收斂速度，且遺傳代數(shù)少，能夠有效避免陷入局部最優(yōu)解?；诙喾N群遺傳算法的LQR振動(dòng)主動(dòng)控制算法對(duì)壓電智能梁的振動(dòng)主動(dòng)控制具有可行性和穩(wěn)定性，相對(duì)基于簡(jiǎn)單遺傳算法的LQR振動(dòng)主動(dòng)控制算法達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間短且具有更好的控制效果。

三、半主動(dòng)控制

半主動(dòng)控制介于主動(dòng)與被動(dòng)控制之間，屬于參數(shù)控制，控制過(guò)程依賴結(jié)構(gòu)反應(yīng)及外部的激勵(lì)信息，通過(guò)少量的能量而改變結(jié)構(gòu)的剛度或者阻尼系數(shù)來(lái)減少結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。半主動(dòng)控制結(jié)合了主動(dòng)控制與被動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，控制過(guò)程中不需要大量的外部能量，只是需要一部分控制力來(lái)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的特性來(lái)減少結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)最優(yōu)控制力。

李敏霞，劉季[9]成功完成了五層框架(1:4模型)的變剛度半主動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，這也是國(guó)內(nèi)第一個(gè)變剛度半主動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，提出的變剛度半主動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)是合理可行的，并且多工況實(shí)驗(yàn)得重復(fù)性好，控制的魯棒性好。

孫作玉，何玉敖[10]提出結(jié)構(gòu)振動(dòng)的變阻尼半主動(dòng)遺傳控制算法，采用遺傳控制算法直接在控制力解空間經(jīng)行全局尋優(yōu)，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)振動(dòng)的變阻尼半主動(dòng)最優(yōu)控制。且通過(guò)實(shí)例仿真，結(jié)果顯示變阻尼半主動(dòng)遺傳控制算法，控制效果明顯，是一種有效的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制策略。

周福霖，譚平等[11]提出了半主動(dòng)變剛度·阻尼控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了控制裝置，推到了控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，提出了基于預(yù)測(cè)控制的瞬時(shí)最優(yōu)控制算法，并且完成了結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明該系統(tǒng)及其控制算法是十分有效的。

王亮，黃真，周岱[12]對(duì)地震波作用下配置磁流變阻尼器的的兩層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，根據(jù)離散時(shí)間狀態(tài)下的Newmark-β時(shí)域積分方法預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)值，通過(guò)在一定范圍內(nèi)尋找適當(dāng)?shù)目刂屏?shù)使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。析結(jié)果表明基于Newmark-β預(yù)測(cè)算法的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)半主動(dòng)控制優(yōu)于基于全局最優(yōu)解的經(jīng)典反饋控制系統(tǒng)，控制效果明顯、魯棒性好。

四、智能控制

結(jié)構(gòu)智能控制包括智能算法和采用智能驅(qū)動(dòng)或智能阻尼裝置的兩類控制。采用諸如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等智能控制控制算法為標(biāo)志的結(jié)構(gòu)智能控制。它與主動(dòng)控制的主要差別是不需要精確的結(jié)構(gòu)模型、采用智能控制算法去惡惡的輸入或輸出反饋與控制增益的關(guān)系，而控制力還是需要很大的外部能量輸入下的作動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

彭云鵑[13]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用到帶裙房高層建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制中，分析了受地震波激勵(lì)的帶裙房高層建筑結(jié)構(gòu)模型的運(yùn)動(dòng)方程及其狀態(tài)空間形式方程，研究了MR單阻尼器耦聯(lián)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)模型和MR阻尼器數(shù)學(xué)模型,討論了帶裙房高層建筑的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理及其控制器的設(shè)計(jì)。并且究了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)學(xué)習(xí)算法,分析了神經(jīng)網(wǎng)路訓(xùn)練樣本的產(chǎn)生,確定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用MATLAB/Simulink工具實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法，并給出了訓(xùn)練結(jié)果。仿真結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種簡(jiǎn)單、有效的控制方法，可以有效地減小帶裙房高層建筑結(jié)構(gòu)在地震波激勵(lì)下的加速度和位移響應(yīng)，減震效果十分明顯。

鄒鵬[14]結(jié)合半主動(dòng)控制將模糊控制理論引入結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的分析，采用模糊控制策略結(jié)合半主動(dòng)控制算法控制磁流變阻尼器的作用力輸出。由模糊控制、LQR控制及無(wú)控下的輸出曲線和控制量曲線比較可知，本文研究的模糊控制與半主動(dòng)控制系統(tǒng)有著良好的控制性能。

徐康[15]使用磁流變阻尼器為控制設(shè)備，將模糊邏輯控制方法應(yīng)用于磁流變阻尼器的控制。模糊控制方法不依賴于精確模型、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，該方法能有效控制MR智能阻尼器，利用Matlab及Simulink軟件包建立了地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)仿真分析模型。仿真結(jié)果表明:振動(dòng)控制效果明顯，自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制是一種很好的控制方法。

五、小結(jié)

近些年來(lái)，土木工程中的結(jié)構(gòu)控制問(wèn)題一直都是熱點(diǎn)，一直都被國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究，而且越來(lái)越多的建筑當(dāng)中都在應(yīng)用，例如北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓采用了先進(jìn)的組合隔震技術(shù)，設(shè)置1232個(gè)橡膠隔震支座和彈性滑板支座，大幅度提高航站樓結(jié)構(gòu)的抗震性能?；A(chǔ)隔震技術(shù)就是屬于結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)中的被動(dòng)控制范疇，用改變結(jié)構(gòu)的支承條件的方法來(lái)減小地震能量向結(jié)構(gòu)的傳遞。

半主動(dòng)控制和混合控制方法可以滿足不同的設(shè)防要求，對(duì)地面運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)本身不確定性的適應(yīng)能力更強(qiáng)，可以提高結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性，引入智能元件以后，效果會(huì)更好，因此是值得重視的新領(lǐng)域。所以這方面的內(nèi)容希望以后廣大學(xué)者可以繼續(xù)深入研究。