土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究現(xiàn)狀與展望

竇超

摘要：在土木工程中開(kāi)展結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的目的是為了強(qiáng)化現(xiàn)代建筑的使用性能，同時(shí)也是為了提高建筑在使用中的抗災(zāi)能力。其在實(shí)際的研究中已經(jīng)取得了初步的成果，根據(jù)其研究成果可以分為主動(dòng)、被動(dòng)、混合及智能這四種控制形式。以下從現(xiàn)今建筑使用中需要面臨的環(huán)境問(wèn)題來(lái)進(jìn)來(lái)分析其發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合現(xiàn)今人們對(duì)建筑安全的需要及土木工程的發(fā)展情況對(duì)其此研究的未來(lái)進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：土木工程 結(jié)構(gòu)振動(dòng) 控制 研究現(xiàn)狀 展望

由于我國(guó)地理面積廣闊，其中包含著許多復(fù)雜的地形，一些地區(qū)處于地震帶，在發(fā)生地震時(shí)為人們帶來(lái)了極其嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。而在地震發(fā)生時(shí)，一些人員無(wú)法逃出建筑而受到生命威脅的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，因此建筑的抗震性能也成為了土木工程中重點(diǎn)研究的項(xiàng)目，其中結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的理念受到廣泛的關(guān)注，基于此理念的研究也在不斷的開(kāi)展。

一、土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究現(xiàn)狀

地震主要是由于地殼板塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的劇烈動(dòng)力現(xiàn)象，在地震區(qū)域的建筑會(huì)受到強(qiáng)力的作用產(chǎn)生晃動(dòng)，這部分力產(chǎn)生的載荷在超過(guò)建筑可承受的臨界值后會(huì)使建筑出現(xiàn)斷裂、倒塌的現(xiàn)象。而受建筑結(jié)構(gòu)、材料及使用的要求，其實(shí)際的抗震能力并不能達(dá)到理想的是狀態(tài)。而現(xiàn)今在土木工程中融入了結(jié)構(gòu)振動(dòng)原理為建筑抗震設(shè)計(jì)提供了一個(gè)突破口，其在實(shí)際應(yīng)用中的范圍也越來(lái)越廣。

而在現(xiàn)今的研究中通過(guò)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制來(lái)降低地震能量對(duì)建筑所帶來(lái)的影響，降低其結(jié)構(gòu)所承受的載荷力，從而在地震產(chǎn)生的能量中可以對(duì)建筑內(nèi)部的人員、物品起到一個(gè)防護(hù)的作用，并在外力的作用下通過(guò)消能保證結(jié)構(gòu)的完整性?？傮w來(lái)說(shuō)就是利用消能材料、結(jié)構(gòu)、裝置來(lái)控制及分散振動(dòng)所產(chǎn)生的瞬時(shí)爆發(fā)力，同時(shí)控制裝置還可以地震的頻率來(lái)施加適當(dāng)?shù)目刂屏?，以達(dá)到降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)作用下的各種反應(yīng)。

二、土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制

（一）被動(dòng)控制分析

被動(dòng)控制是在工程結(jié)構(gòu)上添加一個(gè)子系統(tǒng)或者改造結(jié)構(gòu)上的構(gòu)件使其動(dòng)力特性發(fā)生變化的技術(shù)，在使用中其可以利用隔振裝置來(lái)降低地震瞬時(shí)力產(chǎn)生時(shí)對(duì)建筑造成的位移其情況，并通過(guò)耗能裝置將振動(dòng)中輸出的能量進(jìn)行消耗，從而降低劇烈振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生破壞力，而吸能則是應(yīng)用子結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)余震所產(chǎn)生的能量進(jìn)行吸收，并對(duì)此部分能量進(jìn)行分散釋放，從而降低能量波對(duì)局部所造成的高損害情況。

（二）主動(dòng)控制分析

主動(dòng)控制與被動(dòng)控制相比，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要外部能量的支持，成本較高，維護(hù)復(fù)雜。但是主動(dòng)控制對(duì)于高層建筑的控制效果相對(duì)較好。其原理是傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，并將監(jiān)測(cè)的信息送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)指定公式算法計(jì)算出施加力，并由部能源驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器產(chǎn)生施加在結(jié)構(gòu)上的控制力。

（三）混合控制分析

這種控制方法主要是將以上兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行融合，從而彌補(bǔ)了主動(dòng)控制耗費(fèi)高及被動(dòng)控制能量消耗量較低的缺陷，兩種控制系統(tǒng)的聯(lián)用可以突破原有的控制系統(tǒng)存在的局限性，擴(kuò)大了其使用的范圍。

（四）智能控制分析

智能控制是指利用智能化的材料和控制理論在結(jié)構(gòu)受激勵(lì)振動(dòng)時(shí)通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行調(diào)整來(lái)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)減少振動(dòng)反應(yīng)的目的。其中智能化控制理論有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等。

三、土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的發(fā)展前景

此研究具有多學(xué)科交匯的特點(diǎn)，在使用中需要對(duì)其所涉及的領(lǐng)域都有豐富的了解及充足的知識(shí)儲(chǔ)備量，而結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的發(fā)展需要由多角度進(jìn)行創(chuàng)新研究，其發(fā)展前景以下有幾點(diǎn)淺見(jiàn)。

（一）能量回收

在地震的過(guò)程中會(huì)泄露出大量的能量，這部分施加于建筑上的能量需要由建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行抵消，但是這部分施加的能量卻過(guò)多，例如在主動(dòng)控制系統(tǒng)中，其需要外部有足夠的能源來(lái)提供其進(jìn)行控制工作的所需，一旦外部能源量少且無(wú)法提供持續(xù)供給將會(huì)造成控制系統(tǒng)的失效。因此如何進(jìn)行能量回收、怎樣回收、回收技術(shù)及回收理論等都是其發(fā)展中的重點(diǎn)，也是發(fā)展中需要重點(diǎn)關(guān)注的項(xiàng)目之一。

（二）被動(dòng)控制技術(shù)規(guī)范化、實(shí)用化

在現(xiàn)今的建設(shè)工程中結(jié)構(gòu)振動(dòng)被動(dòng)控制系統(tǒng)使用的范圍最廣，其在發(fā)展的過(guò)程中各項(xiàng)技術(shù)也在不斷的被完善，在使用中所提供的服務(wù)也相對(duì)成熟且成本較低，具有極好的實(shí)用價(jià)值。但是在現(xiàn)今對(duì)被動(dòng)控制系統(tǒng)的研究中可以看出其系統(tǒng)的使用仍然較為散亂，其系統(tǒng)內(nèi)容及使用技術(shù)在操作的過(guò)程中較為復(fù)雜，因此在發(fā)展中應(yīng)注重系統(tǒng)的規(guī)范處理，并制定完善的管理規(guī)范，簡(jiǎn)化操作流程，提高其實(shí)用性，從而為其推廣及擴(kuò)展提供發(fā)展契機(jī)。

（三）加強(qiáng)主動(dòng)、混合、智能控制的研究實(shí)驗(yàn)

這三種形式所提供的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制效果更好，且在現(xiàn)代信息技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展下這三種控制方式更適合現(xiàn)今的建筑防震。在主動(dòng)及混合控制中需要從其技術(shù)原理及技術(shù)內(nèi)容入手，在原有的基礎(chǔ)上將其控制技術(shù)的使用簡(jiǎn)化，并通過(guò)總結(jié)原有的技術(shù)缺陷來(lái)進(jìn)行補(bǔ)足完善，通過(guò)研究新材料、新技術(shù)來(lái)降低其使用的成本。而在智能控制中需要對(duì)其程序中各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)置，并結(jié)合地理特點(diǎn)及地震產(chǎn)生的參數(shù)來(lái)制定智能系統(tǒng)控制防護(hù)開(kāi)啟的參數(shù)。

（四）加強(qiáng)國(guó)家政策的扶持

目前土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制被歸為抗震中的一項(xiàng)重要技術(shù)，其在實(shí)際的使用中雖然仍存有一定的不足之處但也取得了一定的進(jìn)步，而其作為一種可以在建設(shè)工程中大范圍使用的具有一定優(yōu)勢(shì)的技術(shù)，其研究及發(fā)展需要由國(guó)家及相關(guān)部門(mén)的支持，這樣才能在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)為研究工作的開(kāi)展提供最大的便利，使結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制可以得到最新的技術(shù)及資料的支持，從而增強(qiáng)其時(shí)效性及可操作性。

四、結(jié)語(yǔ)

目前根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)其所創(chuàng)造的價(jià)值不只體現(xiàn)在其經(jīng)濟(jì)效益上，更重要的是在對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全保護(hù)上的效果。在土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)的研究上需要由多學(xué)科、技術(shù)進(jìn)行交叉探索，這也需要研究人員的不斷努力。同時(shí)相關(guān)部門(mén)也需要給予相應(yīng)的鼓勵(lì)及支持，從而促進(jìn)此研究的持續(xù)發(fā)展。根據(jù)被動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中所取得的成果來(lái)看，在同類(lèi)技術(shù)的研究上有良好的發(fā)展前景，其價(jià)值及意義對(duì)建筑行業(yè)來(lái)說(shuō)非常重要。

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（作者單位：長(zhǎng)春新星宇房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司）