土木工程结构振动控制技术

摘要：依据控制系统与外部能源、结构振动反应信息和动荷载信息之间的关系，结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制四类。本文探讨了土木工程结构振动控制技术。
关键词：土木工程；结构；振动；控制；技术
Abstract: according to the control system and the external energy, structure vibration response information and dynamic load information, the relationship between the structural vibration control can be divided into passive control, active control, the semi-active control and mixed control four categories. This paper discusses the civil engineering structure vibration control technology.
Keywords: civil engineering; Structure; Vibration; Control; technology
结构振动控制技术在机械、宇航、船舶等领域已经得到了广泛应用，而其在土工工程界引起广泛兴趣则始于1972 年美籍华裔学者YaoJ.T.P(姚治平)对结构控制这一概念的首次提出。此后，结构振动控制技术得到了迅速发展，目前已经成为结构工程学科中一个十分活跃的研究领域，被称为土木工程的高科技领域。

一、土木工程结构振动控制的分类

依据是否需要外界能源, 结构控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制四类。

1、被动控制

被动控制不需要提供外部能量，而通过减震、隔震装置来消耗或转移振动能量，同时阻止振动在结构中的传播，它具有构造简单、造价低、易于维护且无需外界能源支持等优点而被广泛应用。被动控制主要包括基础隔震、耗能减震和调谐减震。基础隔震就是在建筑物或构筑物基底设置控制机构来隔离地震能量向上部结构传输，使结构振动减轻，避免地震破坏。隔震装置必须具备以下条件：具有较大的变形能力；具有足够的初始刚度和强度；能提供较大的阻尼, 具有较大的耗能能力。目前，常见的隔震装置有夹层橡胶垫隔震装置、滚轴加钢板消能装置、粉粒垫层隔震装置、铅芯滞变阻尼器隔震装置、钢滞变阻尼器隔震装置、
基底滑移隔震装置、悬挂基础隔震装置和摩擦隔震装置等。隔震是发展最快、最早的结构减震控制方法，它在技术上比较成熟，减震效果明显，构造简单，造价经济，理论研究和试验研究成果也比较丰富和完善，是目前大多数减震控制结构所采用的方法。桥梁隔震形式有多种，其中使用最广的是铅芯橡胶支座，隔震支座设置于桥墩与主梁之间。铅芯橡胶支座不仅可以提供很大的初始水平刚度以满足在正常使用荷载作用下只产生小位移，并能自动复位，又能以较小的屈服后刚度来实现期望的隔震效率。
耗能减震技术是把结构物中的某些构件（如支撑、剪力墙等）设计成耗能部件或在结构物的某些部位（节点或连接处）设置阻尼器，在小荷载作用下，耗能杆件和阻尼能处于弹性状态，在强烈地震作用下，耗能装置首先进入非弹性状态，大量消耗输入结构的能量，使主体结构避免进入明显的非弹性状态，从而保护主体结构不受破坏。按照耗能装置的不同，耗能减震体系可分为两类：耗能构件减震体系和阻尼器耗能减震体系。前者包括各种耗能支撑（如方框耗能支撑、圆形耗能支撑、K形偏心耗能支撑等） 和耗能剪力墙（如横缝剪力墙、竖缝剪力墙、周边缝剪力墙和阻尼器剪力墙等）。后者包括摩擦阻尼器、弹塑性耗能器（软钢耗能器、铅挤压阻尼器、记忆合金耗能器等）、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器等。
调谐减震技术是在主体结构中附加子结构，使结构的振动发生转移，使结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配，从而减小原结构的振动。目前主要的调谐减震装置有调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、调谐液柱式阻尼器、摆式质量阻尼器、质量泵、液压- 质量控制系统、悬挂结构体系等。
调谐质量阻尼器（TMD）是在结构中设置由质量、弹性元件和阻尼器组成的装置，其减震机理是结构振动时TMD 系统将一部分振动能量吸收从而达到减小结构反应的目的。调谐液体阻尼器（TLD）是一种固定在结构上的具有一定形状的盛水容器，其减震机理是在结构振动时带动容器中的液体晃动，液体波与容器箱壁碰撞而产生控制力，同时液体晃动将吸收一部分能量，这两方面的因素减小了结构的振动反应。

2、主动控制

结构主动控制是利用外部能源( 计算机控制系统或智能材料) , 在结构物受激励振动过程中, 瞬时施加控制力或瞬时改变结构的动力特性, 以迅速衰减和控制结构振动反应的一种减震技术。主要应用于对抗震抗风要求较高, 要求对多振型进行控制的重要建筑和高层建筑、桥梁、特种结构等。结构主动控制技术无疑是一种比较理想的方法, 它对于提高抵抗地面运动不确定性的能力, 直接减小输入的干扰力, 以及在地震发生时连续自动地调整结构动力特性的功能等方面均优于被动控制方法。虽然主动控制已取得一定的理论研究和试验研究成果, 减震效果非常明显有效, 并已在少数工程中试点应用, 但在技术上还有一些问题尚待解决。目前, 尚未步入技术成熟阶段。其主要存在以下问题:
（1）控制系统的硬件和软件的滞后性及有效控制性等问题尚需进一步解决;（2）突发地震时外部能源的正常供应问题;（3）设备的常年维护问题;（4）造价昂贵问题;（5）抗震抗风的同时有效控制问题。主动控制根据控制力是否依赖结构响应或外界激励可分为:闭环控制、开环控制和开闭环控制。目前研究和工程应用较多的是闭环控制。根据控制器的不同, 主动控制又有主动调谐质量阻尼

摘自：学年论文格式www.udooo.com

器、主动锚索之分。主动调谐质量阻尼系统是利用传感器时刻监测结构反应( 位移、速度或加速度) , 并根据卡提闭环控制理论,计算机接受传感器信息并瞬时改变状态矢量和反馈矢量得出控制力, 接着电液伺服装置将最优控制力施加于结构, 以控制其运动和变形。主动锚索控制是利用传感器把结构的反应传给计算机, 计算机进行优化分析计算出所需要的控制力, 驱动液压伺服系统, 该系统通过锚索对结构施加控制力, 从而有效地减小结构反应。该装置已被应用到实际结构中, 用于控制风振反应。

3、半主动控制

半主动控制是通过改变结构的动力特性来减震的。1960 年日本Kobor i 最早提出了结构变刚度的概念, 1983 年Hrovat 研究了土木工程结构的半主动控制问题。半主动控制与主动控制相比, 它所需外部能量小得多, 维护要求不高, 更容易实施也更为经济, 而且控制效果又与前者接近, 因此半主动控制具有较大的研究和应用开发价值。常见的半主动控制系统有主动调谐参数质量阻尼系统、可变刚度系统、可变阻尼系统、变刚度变阻尼系统等。

4、混合控制

混合控制是将主动控制和被动控制同时施加在同一结构上的结构减震控制形式。根据所起作用的相对大小来看，可分为主从组合方式和并列组合方式，前者是以某一控制为主控制部件，其它部件通过主要部件对结构进行控制；后者是两种控制各自独立工作而对结构进行控制；近年研究较多的是以被动控制为主、主动控制为辅的主从组合方式。混合控制包括主动质量阻尼系统（AMD）与调谐质量阻尼系统（TMD）或调谐液体阻尼系统（TLD）的混合控制，主动控制与基础隔震的混合，主动控制与耗能减震的混合，液体质量控制系统和主动质量阻尼系统的混合。混合控制将主动控制与被动控制联合应用，可以充分发挥两种控制系统的优点，克服各自的缺点，只需很小的能量输入即可得到很好的控制效果。被动控制由于引入主动控制，其控制效果和调谐范围有了极大的增强；另一方面，主动控制由于被动控制的参与，所需的控制力大大减小，抗震系统的稳定性和可靠性都比单纯的主动控制有所增强。

二、结构振动控制发展趋势及展望

近年来结构的抗震、减振设计概念经历了很大的飞跃，受到了许多领域的专家和学者的高度关注，由被动控制到主动控制，由主动控制到半主动控制和混合控制，进一步向智能化的方向发展，研究对象也从以前的理想状态向实际结构靠近、非线性模型、滞后效应、不确定性因素都逐渐被考虑在内。虽然在理论上和实际应用上已经取得了不少新的成就，但仍存在许多问题有待深入探讨研究：
1、结构控制设计研发寻求耗能少、造价低、构造简单、施工方便、可靠性大的被动控制和主动控制系统控制装置；
2、被动控制装置系统技术已经较为成熟同时在实际工程中已经取得了应用效果，应将其进行系统整理，使其逐步实用化、规范化，以推动其在工程实践中的广泛应用；
3、建立研究结构延性耗能构件的力学模型，通过确定延性耗能构件的强度、耗能指标、受力特性、截面特征、配筋方式及数量等参数的定量关系，进而对附有延性耗能构件的整体结构进行分析，研究出含有新型合理控制装置的结构体系；
4、加强关于混合控制和半主动控制装置的试验研究及工程试点建筑研究，理论分析的试验结果有时会与实际情况存在较大误差，通过试点建筑研究可以检验和保证控制装置的可靠性及实际控制效果，以期达到实用化要求；
5、关于半主动控制和主动控制装置的实验研究以及作动器、传感器的数量、位置和控制参数的优化研究，达到结构振动控制的最理想效果，以实现结构控制“智能化”的要求。
参考文献：
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