土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的研究現(xiàn)狀與展望

許圣昊

摘 要：近年來，我國土木工程行業(yè)發(fā)展迅速，且為推動建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了較大貢獻。為了進一步提高土木工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性，文章以土木工程結(jié)構(gòu)的振動控制作為主要研究對象，通過對其概念進行闡述，進而對其研究現(xiàn)狀展開了詳細(xì)的論述和分析，并對其在未來的發(fā)展方向予以全面展望。

關(guān)鍵詞：土木工程結(jié)構(gòu)；振動控制；主動控制；被動控制

隨著地震災(zāi)害的頻繁發(fā)生，傳統(tǒng)的基于構(gòu)件承載與變形能力消耗地震能量的抗震方法已難以適應(yīng)土木工程的抗震能力的新要求，在此背景下，作為現(xiàn)代控制理論中的重要組成部分，振動控制理論被引入土木工程結(jié)構(gòu)的抗震研究領(lǐng)域當(dāng)中，較好地提高了工程的穩(wěn)定性與抗震性。

1 土木工程結(jié)構(gòu)的振動控制概述

土木工程結(jié)構(gòu)的振動控制即，將隔振墊等相關(guān)裝置或消能支撐和剪力墻等整體構(gòu)件安置在結(jié)構(gòu)的特定部位，在風(fēng)火地震的作用下，使整體結(jié)構(gòu)能夠得到合理控制并確保結(jié)構(gòu)自身及其內(nèi)部人員與設(shè)備處于安全狀態(tài)的一種振動控制技術(shù)。就現(xiàn)階段而言，關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的研究主要包括了被動控制、主動控制和混合控制。

2 主動控制

土木工程結(jié)構(gòu)的主動控制裝置包括儀器測量系統(tǒng)以及控制和動力驅(qū)動系統(tǒng)，其中，儀器測量系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和外部傳達的激勵信息進行測量，控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對儀器測量系統(tǒng)所傳遞的測量信息進行處理，在實現(xiàn)控制律的同時，輸出相應(yīng)的動力驅(qū)動系統(tǒng)指，而動力驅(qū)動系統(tǒng)在制定驅(qū)動下產(chǎn)生控制力，其所需的能量來源大都由外部能源結(jié)構(gòu)予以攻擊，從而經(jīng)輔助子結(jié)構(gòu)將控制力作用在受控結(jié)構(gòu)處，達到抗振目的。

目前，主動控制主要分為兩種類型，首先，是控制力型，其裝置主要包括主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)與支撐系統(tǒng)、主動拉索系統(tǒng)以及氣體脈沖發(fā)生器和主動空氣動力擋風(fēng)板系統(tǒng)?；诳刂屏π偷闹鲃涌刂剖墙柚獠磕茉?，當(dāng)土木工程結(jié)構(gòu)受到激勵而產(chǎn)生振動時，向結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)的控制力，促使結(jié)構(gòu)受振動而產(chǎn)生的振動反應(yīng)能夠迅速得到有效控制。

其次，是基于結(jié)構(gòu)性能可變型的主動控制技術(shù)，此類主動控制主要利用外界的激勵信息和土木工程結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)對其內(nèi)部的各類參數(shù)進行調(diào)節(jié)和變更，旨在以較少的能量對控制系統(tǒng)的形態(tài)予以改變，從而促使結(jié)構(gòu)動力特性發(fā)生變化減輕其振動相應(yīng)。與基于控制力型的主動控制相比，結(jié)構(gòu)性能可變型控制具有所需外部能量小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)維護要求低和易于實施與成本較低等優(yōu)勢，在控制效果方面也與控制力型的主動控制方法相接近，故此種主動控制技術(shù)具有更高的研究、使用和推廣價值。磁流與電流變液態(tài)阻尼器在結(jié)構(gòu)性能可變型控制中也得到了部分應(yīng)用，且取得了良好的抗振效果。

3 被動控制

借助相應(yīng)裝置、機構(gòu)或種子結(jié)構(gòu)對土木工程結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)動力響應(yīng)予以改變，從而促使其具備隔離、調(diào)諧以及耗能與吸能減震振功能的控制技術(shù)。主要包括了隔振以及耗能減振與吸能減振三種。其中，隔振即將隔振裝置安置在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間，并利用隔振裝置使地震所傳遞的能量大幅削減，進而使地震對上部結(jié)構(gòu)的作用與隔振部位自身的變形得到良好控制。

在耗能減振方面，主要是通過將阻尼等耗能機構(gòu)安置在工程的支撐、剪力墻和節(jié)點等相關(guān)結(jié)構(gòu)處，借助相關(guān)耗能機構(gòu)產(chǎn)生摩擦和彎曲彈塑性滯回變形耗能從而達到對地震能量進行耗散的目的。此種被控控制的原理在于，通過引入耗能機構(gòu)，從而為土木工程結(jié)構(gòu)提供較大阻尼，當(dāng)發(fā)生地震時，其便產(chǎn)生蘇醒屈服與摩擦滑動，從而克服阻尼力做工，對輸入結(jié)構(gòu)中振動能進行大幅消耗。

吸能減震則通過將種子結(jié)構(gòu)置于結(jié)構(gòu)當(dāng)中，促使其振動產(chǎn)生位移，并在位移中使原結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的振動能得以重新分配，進而減小土木工程整體結(jié)構(gòu)的振動。當(dāng)前，應(yīng)用在土木工程結(jié)構(gòu)中的吸能減振裝置主要包括調(diào)諧液體阻尼器和質(zhì)量阻尼器、懸掛結(jié)構(gòu)體系以及擺式質(zhì)量阻尼器和液壓質(zhì)量控制系統(tǒng)，此外，屋面水箱亦可在地震發(fā)生時產(chǎn)生相應(yīng)減振效果，故可將其充當(dāng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。

4 混合控制

由主動控制與被動控制結(jié)合而成的土木工程結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)兼具主動與被動控制的優(yōu)點，其借助被動控制對地震向結(jié)構(gòu)施加的振動能量予以耗散，并利用主動控制確保結(jié)構(gòu)控制能夠獲得良好效果，故具有良好的應(yīng)用價值。還需說明的是，此種控制方法在土木工程結(jié)構(gòu)中同時施加主動與被動控制，從整體行對其受地震激勵作用的相應(yīng)進行分析，在克服單一被動控制應(yīng)用局限性的同時，促使控制力得到有效減小，降低了系統(tǒng)對外部控制設(shè)備功率和體積的需求，從整體上提高了土木工程結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性與可靠性。就現(xiàn)階段而言，土木工程結(jié)構(gòu)的混合控制系統(tǒng)主要包括了基于主動控制與耗能裝置相結(jié)合的控制系統(tǒng)以及主動控制和基礎(chǔ)隔振裝置相結(jié)合的控制系統(tǒng)。此外，模糊半主動控制策略在智能復(fù)合隔振系統(tǒng)系統(tǒng)中實施也較好地提高了土木工程結(jié)構(gòu)的智能化控制水平，通過將被動隔振墊同磁流變液態(tài)智能阻尼器進行并聯(lián)連接，從而使得系統(tǒng)能夠有效減小建筑物隔振層位移和各層間的相對位移，具有良好的隔振效果。

5 土木工程結(jié)構(gòu)振動控制展望

結(jié)合既有的土木工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)發(fā)展情況，其今后的發(fā)展趨勢為：（1）以能量回收為基礎(chǔ)的土木工程結(jié)構(gòu)振動控制。發(fā)生地震時，外界能量供給并不易得到良好保障，從而影響控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，而以能量回收為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)振動控制則能夠較好地解決此類問題，通過引入高校的回收振動能量技術(shù)，并融入能量平衡理論，從而獲得良好的控制效果。（2）消除地鐵、有軌電車等交通設(shè)施對土木工程結(jié)構(gòu)的垂直振動影響，此方面研究室三維隔振技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，對于城市建筑物，需要加大對更為有效的三維隔振裝置的研究力度，從而消除相關(guān)交通設(shè)施對建筑物施加的振動作用。

6 結(jié)語

本文通過對土木工程結(jié)構(gòu)的振動控制概念進行簡要說明，進而從主動控制、被動控制和混合控制三方面對其結(jié)構(gòu)振動控制的相關(guān)技術(shù)做出了系統(tǒng)探析，并給出其結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)的發(fā)展方向。研究結(jié)果表明，土木工程的結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)對于提高其抗振性與穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用，未來，還需進一步加強對振動控制技術(shù)的研究與應(yīng)用，從而促使土木工程結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部人員的安全性得以全面提升。

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