淺談土木工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)

江 哲 陳 云

（1、重慶大學(xué)，重慶 400045 2、機械工業(yè)部第六設(shè)計研究院重慶分院，重慶 401120）

結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)在機械、宇航、船舶等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，而其在土工工程界引起廣泛興趣則始于1972年美籍華裔學(xué)者YaoJ.T.P(姚治平)對結(jié)構(gòu)控制這一概念的首次提出。此后，結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展，目前已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科中一個十分活躍的研究領(lǐng)域，被稱為土木工程的高科技領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)根據(jù)所采取的控制措施是否需要外部能源可分為:被動控制、主動控制和混合控制。以下將分別對這些控制技術(shù)予以簡述。

1 被動控制

被動控制是一種不需要外部能源的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，一般是指在結(jié)構(gòu)的某個部位附加一個子系統(tǒng)，或?qū)Y(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件做構(gòu)造上的處理以改變結(jié)構(gòu)體系的動力特性。被動控制因其構(gòu)造簡單、造價低、易于維護且無需外部能源支持等優(yōu)點而引起了廣泛的關(guān)注，并成為目前應(yīng)用開發(fā)的熱點，許多被動控制技術(shù)已日趨成熟，并已在實際工程中得到應(yīng)用。被動控制從控制機理上可分為基礎(chǔ)隔振和耗能吸能減振兩大類。

1.1 基礎(chǔ)隔振

基礎(chǔ)隔振是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置某種隔振消能裝置，以減小地震能量向上部的傳輸，從而達到減小上部結(jié)構(gòu)振動的目的?；A(chǔ)隔振能顯著降低結(jié)構(gòu)的自振頻率，適用于短周期的中低層建筑和剛性結(jié)構(gòu)，由于隔振僅對高頻地震波有效，因此對高層建筑不太適用。

1.2 耗能吸能減振

耗能吸能減振裝置主要有:金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器、粘性液體阻尼器、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、調(diào)諧液體阻尼器、液壓質(zhì)量控制系統(tǒng)和質(zhì)量泵等。

2 主動控制

主動控制是一種需要外部能源的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，它是通過施加與振動方向相反的控制力來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制的，其工作原理如下:傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和外部激勵，將監(jiān)測的信息送入計算機內(nèi)，計算機根據(jù)給定的算法給出應(yīng)施加的力的大小，最后，由外部能源驅(qū)動，控制系統(tǒng)產(chǎn)生所需的力。如果傳感器僅測量結(jié)構(gòu)響應(yīng)的信號，稱控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制;如果傳感器僅測量外部激勵的信號，稱控制系統(tǒng)為開環(huán)控制;如果傳感器同時測量結(jié)構(gòu)響應(yīng)和外部激勵的信號，則稱控制系統(tǒng)為閉-開環(huán)控制。主動控制可分為控制力型和結(jié)構(gòu)性能可變型 (半主動控制)兩類。

2.1 控制力型

它的特點是采用能檢測結(jié)構(gòu)及外干擾振動的傳感器，將傳感器獲得的信號作為控制振動的控制信號，通過作動器隨時向結(jié)構(gòu)施加控制力，以便及時控制結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)?？刂蒲b置大體上由儀器測量系統(tǒng)(傳感器)、控制系統(tǒng)(計算機)、動力驅(qū)動系統(tǒng)(作動器)等組成。目前研究開發(fā)的控制力型主動控制裝置主要有:主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、主動拉索系統(tǒng)、主動支撐系統(tǒng)、主動空氣動力擋風(fēng)板系統(tǒng)、氣體脈沖發(fā)生器系統(tǒng)等。

2.2 結(jié)構(gòu)性能可變型(半主動控制)

它是利用控制機構(gòu)來主動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的參數(shù)，使結(jié)構(gòu)參數(shù)處于最優(yōu)狀態(tài)，所需的外部能量比控制力型小得多。比起控制力型主動控制，結(jié)構(gòu)性能可變型主動控制更容易實施而且也更為經(jīng)濟，而控制效果又與前者相近，因此結(jié)構(gòu)性能可變型主動控制目前具有更大的研究和應(yīng)用價值。結(jié)構(gòu)性能可變型主動控制往往采用開關(guān)控制或稱為"0-1"控制，通過開關(guān)改變控制器的工作狀態(tài)，從而改變結(jié)構(gòu)的動力特性。目前，較為典型的結(jié)構(gòu)性能可變型主動控制裝置有:可變剛度系統(tǒng)、可變阻尼系統(tǒng)、主動調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、可控(電流變或磁流變)液體阻尼器、可控摩擦式隔振系統(tǒng)等。

3 混合控制

混合控制是主動控制和被動控制的聯(lián)合應(yīng)用，使其協(xié)調(diào)起來共同工作。這種控制系統(tǒng)充分利用了被動控制與主動控制各自的優(yōu)點，它既可以通過被動控制系統(tǒng)大量耗散振動能量，又可以利用主動控制系統(tǒng)來保證控制效果，比單純的主動控制能節(jié)省大量的能量，因此有著良好的工程應(yīng)用價值。目前混合控制裝置主要

以下幾種:(1)主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(AMD)與調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng) (TMD)或調(diào)諧液體阻尼系統(tǒng)(TLD)相結(jié)合的混合控制;(2)主動控制與阻尼耗能相結(jié)合的混合控制;(3)主動控制與基礎(chǔ)隔振相結(jié)合的混合控制等。

4 有待研究的控制問題

結(jié)構(gòu)控制這一課題，近年來，受到了多個領(lǐng)域的學(xué)者與專家的高度重視，越來越多的控制專家投身于該研究中，在理論上取得了不少新結(jié)果，在應(yīng)用上成功的例子也很多，但仍有一些問題有待進一步深入探討。

4.1 從控制器設(shè)計角度的建模與模型簡化

由于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)維數(shù)高，含有未建模動態(tài)特性及參數(shù)不確定性等，研究面向低階魯棒控制器設(shè)計的辨識方法及模型簡化技術(shù)等問題是具有實際意義的，同時對于含智能材料的結(jié)構(gòu)，由于材料的強非線性，對材料與結(jié)構(gòu)間的非線性相互作用的辨識也需進一步研究。

4.2 結(jié)構(gòu)控制中的非線性控制

研究帶有滯回環(huán)及飽和的非線性控制問題，這類問題本身在控制界有著廣泛的興趣，另外智能控制如模糊控制等在非線性結(jié)構(gòu)控制中會有很好的應(yīng)用前景，也值得深入探討。

4.3 結(jié)構(gòu)控制中的混合控制

不同類型的控制算法集成的研究即混合(hybrid)控制方式目前是控制界極受關(guān)注的問題，在結(jié)構(gòu)控制中研究主動與被動控制間的最優(yōu)混合，是具有實際意義的方向.此外，利用一些主動控制算法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化問題也值得進一步研究。

4.4 結(jié)構(gòu)控制中的可靠性要求

許多結(jié)構(gòu)控制問題對于可靠性要求很高，而在正常條件下又無法對整個閉環(huán)系統(tǒng)進行實現(xiàn)證實控制方案的正確性，如為提高建筑物的抗震能力而設(shè)計的結(jié)構(gòu)控制器.這樣，探討結(jié)構(gòu)控制的實驗證實方案是十分重要的問題。

5 結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的發(fā)展展望

經(jīng)過諸多學(xué)者長期不懈的努力，特別是在近十幾年的時間里，土木工程結(jié)構(gòu)控制技術(shù)得到了全面迅速的發(fā)展，呈現(xiàn)出一派生機勃勃的發(fā)展勢頭。展望今后一個時期內(nèi)，結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢將是：

5.1 被動控制技術(shù)規(guī)范化實用化。將目前一些較為成熟并且已得到實際工程

證實的被動控制技術(shù)，如基礎(chǔ)隔振、耗能吸能減振等，進行系統(tǒng)整理，使之逐步規(guī)范化、實用化，并編入新制訂的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，以推動其在工程實踐中的廣泛應(yīng)用。目前在國內(nèi)外這方面的工作已經(jīng)有了一些進展。

5.2 加強對半主動控制和混合控制技術(shù)的實驗研究以及試點工程的研究

半主動控制和混合控制技術(shù)是今后土木工程結(jié)構(gòu)控制的重要發(fā)展方向，因此應(yīng)進一步加強對它們的實驗研究以及試點工程的研究，以驗證其實際控制效果及可靠性，并不斷總結(jié)、完善，以期盡快達到實用化的要求。雖然目前結(jié)構(gòu)控制技術(shù)尚未在土木工程中得到廣泛應(yīng)用，但由于其自身所具有的明顯優(yōu)勢--“智能型”，其良好的應(yīng)用前景是毋須置疑的。結(jié)構(gòu)振動控制在高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)還有較為廣泛的發(fā)展前景。雖然，在我國結(jié)構(gòu)振動控制目前多數(shù)僅應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)中，但隨著我國高層建筑特別是超高層建筑的發(fā)展，必將給結(jié)構(gòu)振動控制帶來更為廣闊發(fā)展空間因此有理由相信，采用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的智能型隔振減振結(jié)構(gòu)將會是不久的將來人們的現(xiàn)實追求。

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