土木工程結(jié)構(gòu)減震控制方法

茍永學(xué)

摘要：近幾年來(lái)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的理論和技術(shù)日益引人注目，特別是在土木工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一種以減震為手段的設(shè)計(jì)已在國(guó)內(nèi)外一些地震多發(fā)地區(qū)得到了應(yīng)用，本文分析了土木工程結(jié)構(gòu)減震的控制方法。

關(guān)鍵詞：土木結(jié)構(gòu)；減震；控制方法

中圖分類號(hào)： TQ336.4+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、結(jié)構(gòu)減震控制的概念及分類

應(yīng)用結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是解決結(jié)構(gòu)工程安全性問(wèn)題的一個(gè)可替代的方法，從而為結(jié)構(gòu)控制理論在土木工程中的應(yīng)用指出了光明的前景。結(jié)構(gòu)控制的概念可以簡(jiǎn)單表述為： 通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制機(jī)構(gòu)， 由控制機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)共同承受振動(dòng)作用， 以調(diào)諧和減輕結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)， 使其在外界干擾作用下的各項(xiàng)反應(yīng)值被控制在允許范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)減震控制根據(jù)是否需要外部能源輸入可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和混合控制。被動(dòng)控制是指不需要能源輸入提供控制力， 控制過(guò)程不依賴于結(jié)構(gòu)反應(yīng)和外界干擾信息的控制方法。文中所討論的基礎(chǔ)隔震、耗能減震等均為被動(dòng)控制。

二、土木工程結(jié)構(gòu)減震的控制方法

1、被動(dòng)控制

結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制是指控制裝置不需要外部能源輸入的控制方式。其特點(diǎn)是采用隔震、耗能減震和吸能減振等技術(shù)消耗振動(dòng)能量,以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的目的。被動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于維護(hù),并且不需要外部能源支持等。目前,被廣泛采用的被動(dòng)控制裝置有:

1.1基礎(chǔ)隔震體系?；A(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(dá)到減小上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。

基礎(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(duì)高頻地震波有效,因此對(duì)高層建筑不太適用。

1.2耗能減振體系。常用的耗能元件有耗能支撐和耗能剪力墻等;常用的阻尼器有金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏彈性阻尼器、黏性液體阻尼器等。

1.3調(diào)諧減振系統(tǒng)。常用的調(diào)諧減振系統(tǒng)有:調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD )、調(diào)諧液體阻尼器(TLD)、液壓質(zhì)量振動(dòng)控制系統(tǒng)(HMS)等。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器是一個(gè)小的振動(dòng)系統(tǒng),由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成。它對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)控制的機(jī)理是:原結(jié)構(gòu)體系由于加入了TMD,其動(dòng)力特性發(fā)生了變化。原結(jié)構(gòu)承受動(dòng)力作用而劇烈振動(dòng)時(shí),由于TMD質(zhì)量塊的慣性而向原結(jié)構(gòu)施加反方向作用力,其阻尼也發(fā)揮耗能作用,從而使原

2、主動(dòng)控制

結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制是利用外部能源, 在結(jié)構(gòu)受激勵(lì)振動(dòng)過(guò)程中, 對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力或改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性, 從而迅速地減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)。主動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括傳感器、控制器和作動(dòng)器3 個(gè)組成部分。

目前有關(guān)主動(dòng)控制的研究?jī)?nèi)容主要分為主動(dòng)控制算法和主動(dòng)控制裝置研究?jī)刹糠?。主?dòng)控制裝置主要有主動(dòng)質(zhì)量阻尼系( AMD) 、主動(dòng)拉索系統(tǒng)( ATS ) 、主動(dòng)支撐系統(tǒng)( ABS) 、主動(dòng)空氣動(dòng)力擋風(fēng)板控制系統(tǒng)( ADA) 和氣體脈沖發(fā)生器控制系統(tǒng)( PC) 等。主動(dòng)控制算法是主動(dòng)控制的基礎(chǔ), 它的目標(biāo)是使主動(dòng)控制系統(tǒng)在滿足其狀態(tài)方程和各種約束條件下, 選擇合適的增益矩陣, 尋找最優(yōu)的控制參數(shù), 使系統(tǒng)達(dá)到較優(yōu)的性能指標(biāo), 實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)控制。目前, 它的研究基本上是以理論分析、數(shù)據(jù)模擬分析為主, 且已取得較大的成就, 但主動(dòng)控制技術(shù)尚未成熟。從目前已有的研究來(lái)看, 其可行性還受到一些條件的制約:

2.1 主動(dòng)控制系統(tǒng)在地震中運(yùn)作問(wèn)題。日本采用AMD 和HMD 的高層建筑, 在風(fēng)振和環(huán)境振動(dòng)時(shí)主動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)作正常, 取得很好的控制效果。但在大地震時(shí), 很大部分的主動(dòng)控制系統(tǒng)因故未能運(yùn)作。

2.2 時(shí)滯問(wèn)題。主動(dòng)控制系統(tǒng)在工作時(shí)由于信號(hào)處理、運(yùn)算、電液伺服作動(dòng)自動(dòng)作等都需要一定的時(shí)間, 因此時(shí)間滯后問(wèn)題是不可避免的。時(shí)滯對(duì)控制系統(tǒng)的性能有很大影響,它使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差, 控制效率降低, 甚至可能產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。目前, 可以通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)修正時(shí)滯。

2.3 能量問(wèn)題。主動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)作需要依靠外部能源的輸入, 如何在地震中保證有可靠的能源, 需要特別注意。

2.4 設(shè)備維護(hù)問(wèn)題。作為生命線工程的大跨度橋梁的使用壽命最少為幾十年, 甚至上百年, 相應(yīng)的主動(dòng)控制系統(tǒng)也需要在這么長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持使用功能完備, 如何能保證系統(tǒng)的完善, 特別是作為核心構(gòu)件的計(jì)算機(jī)的有效性也是需要解決的問(wèn)題。

3、半主動(dòng)控制

半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制參數(shù)控制，它是依賴于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)或動(dòng)荷載的信息實(shí)時(shí)改變結(jié)構(gòu)的參數(shù)來(lái)減小結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。它更易于實(shí)施，并且它的控制系統(tǒng)更為可靠。半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制的控制效果優(yōu)于被動(dòng)控制，略遜于主動(dòng)控制。半主動(dòng)控制不需要外界能量輸入，因而是一種很有發(fā)展前景的抗震控制方法

4、混合控制

混合控制是將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制或智能控制等2種或2種以上控制方式，同時(shí)施加在同一結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)減振控制形式。近年研究較多的是以被動(dòng)控制為主，主動(dòng)控制為輔的主從組合方式。它兼有2種控制的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，只需很小的能量輸入即可得到很好的控制效果。目前，混合控制有主動(dòng)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)的混合控制，主動(dòng)控制與基礎(chǔ)隔震的混合，主動(dòng)控制與耗能減振的混合，液體質(zhì)量控制系統(tǒng)和主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的混合。目前，隔震和耗能減振的混合控制應(yīng)用較為廣泛。世界上第一個(gè)安裝混合質(zhì)量阻尼器(HMD) 控制系統(tǒng)的建筑是日本東京清水公司技術(shù)研究所的7層建筑。我國(guó)南京電視塔采用了主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)AMD與調(diào)諧液體阻尼系統(tǒng)TLD相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)來(lái)控制風(fēng)振。

5、智能控制

結(jié)構(gòu)智能控制包括采用智能控制算法和智能驅(qū)動(dòng)或智能阻尼裝置2類。當(dāng)結(jié)構(gòu)遇到強(qiáng)烈的地震作用時(shí)可能進(jìn)入非線性,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和剛度發(fā)生退化,實(shí)際結(jié)構(gòu)模型修正是結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的一個(gè)突出問(wèn)題。智能控制算法正是為了解決這一問(wèn)題而引入的。智能控制算法可以不依賴精確的結(jié)構(gòu)模型,或者具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)及調(diào)整逼近能力。目前研究的結(jié)構(gòu)智能控制算法主要有:

5.1模糊控制算法。模糊控制主要通過(guò)狀態(tài)輸出和控制輸入的模糊邏輯關(guān)系,即模糊控制規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)或控制。

5.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性逼近、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)、數(shù)據(jù)融合以及并行分布處理等能力,在多變量、強(qiáng)非線性系統(tǒng)的辨識(shí)、建模和控制中有明顯的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

另一類結(jié)構(gòu)智能控制是指采用諸如磁(電)流變液體、壓電材料、磁(電)致伸縮材料和形狀記憶合金等智能驅(qū)動(dòng)器的主動(dòng)控制或智能阻尼器的半主動(dòng)控制。

結(jié)束語(yǔ)

目前， 世界上許多國(guó)家開(kāi)展了結(jié)構(gòu)減震技術(shù)與理論的研究，并致力于該技術(shù)的推廣應(yīng)用。結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)是一門科學(xué)性和技術(shù)性很強(qiáng)的應(yīng)用科學(xué)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用減震控制技術(shù)， 能很好地減小地震反應(yīng)從而降低抗震等級(jí)， 同時(shí)建筑物的總造價(jià)增大不多。另外， 隨著結(jié)構(gòu)減震技術(shù)的發(fā)展， 減震系統(tǒng)造價(jià)不斷減低， 減震房屋的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)越來(lái)越突現(xiàn)。結(jié)構(gòu)減震技術(shù)代表著未來(lái)抗震技術(shù)的發(fā)展方向， 值得大力推廣應(yīng)用。

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