土木工程結(jié)構(gòu)減震控制方法的思考

張繼順

摘要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，我國的建筑工程得到了快速的發(fā)展。在建筑工程中應(yīng)該注重對(duì)其結(jié)構(gòu)減震功能的設(shè)計(jì)。本文針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)減震控制方法進(jìn)行了分析，從結(jié)構(gòu)減震中的被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制三個(gè)方面進(jìn)行了土木工程結(jié)構(gòu)減震控制方法的細(xì)致研究。

關(guān)鍵詞：土木工程；結(jié)構(gòu)減震；控制方法；思考

前言：結(jié)構(gòu)減震是在建筑工程中的某一部分進(jìn)行的控制裝置架設(shè)，采用外部干擾形式進(jìn)行土木工程的結(jié)構(gòu)減震。土木工程結(jié)構(gòu)減震是近些年才興起的一門學(xué)科，在其學(xué)科屬性構(gòu)建中包含了綜合控制論、計(jì)算機(jī)、結(jié)構(gòu)震動(dòng)理論與新材料科學(xué)等學(xué)科。土木工程結(jié)構(gòu)減震的目的是在借助外部控制的方式下將建筑的抗震功能提升。

一、土木工程結(jié)構(gòu)減震中的被動(dòng)控制

（一）基礎(chǔ)隔震體系構(gòu)建

基礎(chǔ)隔震體系構(gòu)建是在土木建筑工程的上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間進(jìn)行的某種隔震消能裝置。在隔震消能裝置應(yīng)用下能夠減少對(duì)地面的震動(dòng)，在基礎(chǔ)隔震體系的構(gòu)建中注重的是對(duì)建筑的減震作用設(shè)計(jì)。在上世紀(jì)90年代德國人J·Bechtdd就已經(jīng)提出了滾球式隔震基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)隔震技術(shù)不斷地發(fā)展下，土木工程建造中已經(jīng)將基礎(chǔ)隔震技術(shù)應(yīng)用到日常的工程建造中[1]。隔震體系的構(gòu)建必須要具備三項(xiàng)特性：首先要具有較大的變形能力；其次要具有足夠的初始剛度和強(qiáng)度；最后要具有較大的阻尼，同時(shí)還應(yīng)該具有較大的耗能。在基礎(chǔ)隔震體系構(gòu)建中要注重對(duì)建筑結(jié)構(gòu)自身的自振頻率進(jìn)行控制，只有這樣才能使隔震體系中的阻尼能夠?qū)Ω哳l度的地震波具有抵御性效果。

（二）耗能減震體系構(gòu)建

耗能體系構(gòu)建在土木工程的結(jié)構(gòu)減震中也占據(jù)著一定的位置，在實(shí)際的土木工程耗能體系構(gòu)建中常用到的耗能元件有耗能支撐和耗能剪力墻。同時(shí)還應(yīng)該具有耗能阻尼器，耗能阻尼器能夠?qū)ㄖこ痰目拐鹦阅苓M(jìn)行有效的提升。阻尼器的應(yīng)用分為金屬屈服阻尼器和摩擦阻尼器，金屬阻尼器是借助在軟鋼或其他的軟金屬材料上做成的抗震耗能器。在實(shí)際應(yīng)用中能夠起到對(duì)結(jié)構(gòu)震動(dòng)進(jìn)行控制的作用，在控制結(jié)構(gòu)震動(dòng)中將建筑耗能的穩(wěn)定性充分的發(fā)揮出來。摩擦阻尼器是在元件之間的摩擦后形成的減震耗能應(yīng)用。在其應(yīng)用中采用的是摩擦消除外力形式將在結(jié)構(gòu)摩擦中的外力排除，從而達(dá)到抗震的目的。

（三）調(diào)諧減震系統(tǒng)構(gòu)建

土木工程的結(jié)構(gòu)減震中也經(jīng)常運(yùn)用到調(diào)諧減震系統(tǒng)，常用的調(diào)諧減震系統(tǒng)TMD、TLD和HMS三種。TMD調(diào)諧減震系統(tǒng)應(yīng)用中注重的是對(duì)結(jié)構(gòu)減震中的質(zhì)量塊以及彈簧阻尼器控制[2]。TMD減震控制系統(tǒng)能夠?qū)ㄖ陨淼哪蛪汗δ芴嵘?，在?shí)際的建筑結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)中運(yùn)用TMD控制建筑自身的結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明TMD具有很強(qiáng)的建筑減震效果，在TMD減震系統(tǒng)的應(yīng)用中能夠有效的將建筑工程的減震效果發(fā)揮出來。例如在美國波士頓的Josh Hancock大樓的建筑抗震體系應(yīng)用中采用的就是TMD減震系統(tǒng)。TLD建筑減震控制系統(tǒng)是在建筑的結(jié)構(gòu)建造中，選定好其中的某一點(diǎn)作為支撐點(diǎn)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)。在其應(yīng)用下能夠?qū)ㄖこ痰恼w抗震性進(jìn)行控制，在該減震體系的應(yīng)用中能夠達(dá)到很好的減震效果。

二、土木工程結(jié)構(gòu)減震中的主動(dòng)控制

（一）主動(dòng)質(zhì)量阻尼器

主動(dòng)阻尼器是在建筑減震控制中的關(guān)鍵性控制因素，是由減震控制中的TMD控制系統(tǒng)演變而來的。主動(dòng)質(zhì)量阻尼器應(yīng)用中是借助在建筑結(jié)構(gòu)上安裝的傳感器來進(jìn)行建筑的抗震性監(jiān)測(cè)和反應(yīng)向量分析。在Riccti閉環(huán)控制理論影響下，將計(jì)算機(jī)向量運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行改變，從而利用向量進(jìn)行控制力應(yīng)用。最后將電液服務(wù)裝置進(jìn)行安裝，要控制好附加的質(zhì)量，將附加質(zhì)量的控制力施加向結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)中。

（二）主動(dòng)支撐系統(tǒng)

主動(dòng)支撐系統(tǒng)是借助在抗側(cè)力構(gòu)建上進(jìn)行的設(shè)置傾斜支撐，主動(dòng)支撐系統(tǒng)應(yīng)用是對(duì)電液服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行收縮運(yùn)動(dòng)控制。這種減震系統(tǒng)大部分應(yīng)用于高層建筑中，在高層建筑中安裝該支撐系統(tǒng)，用來進(jìn)行建筑的抗風(fēng)防震系統(tǒng)構(gòu)建。在主動(dòng)控制的算法下將建筑抗震的作動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化控制，要將建筑的優(yōu)化控制體系進(jìn)行提升應(yīng)用。在主動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用下能夠有效的將外界阻力進(jìn)行排除。

（三）主動(dòng)空氣動(dòng)力擋風(fēng)系統(tǒng)

在主動(dòng)建筑減震控制中，利用空氣動(dòng)力擋風(fēng)系統(tǒng)能夠有效的將建筑空間中的風(fēng)力阻隔因素進(jìn)行排除。在主動(dòng)控制法的計(jì)算應(yīng)用中能夠快速將建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定。例如在日本東京的建筑Kyobashi，在89年的近海地震中地震位移的反應(yīng)減小為60%。在90年受到強(qiáng)臺(tái)影響，建筑的風(fēng)震加速度為50%。這些都是由于在安裝了主動(dòng)空氣動(dòng)力擋風(fēng)系統(tǒng)后起到的作用。在主動(dòng)減震控制中利用動(dòng)力擋風(fēng)系統(tǒng)能夠有效的應(yīng)對(duì)地震和臺(tái)風(fēng)。

三、土木工程結(jié)構(gòu)減震中的半主動(dòng)控制

（一）可變剛度控制系統(tǒng)

可變剛度控制系統(tǒng)是借助在可變裝置下進(jìn)行的建筑工程抗震性能弱化，可變剛度控制系統(tǒng)的應(yīng)用下能夠?qū)⒅芷趦?nèi)的特定裝置律進(jìn)行調(diào)控?？勺儎偠瓤刂葡到y(tǒng)一般是由支撐與受控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間的電液服務(wù)系統(tǒng)共同組成的。例如1998年日本的Shizuoka建筑中，在建筑的兩邊墻體都安裝了半導(dǎo)體可控變流量阻尼器，在每一個(gè)阻尼器中間都有一個(gè)控制液體閥門，在液體閥門的控制應(yīng)用下能夠?qū)⒔ㄖ木彌_功能得到提升。在可變閥門的控制應(yīng)用下能夠?qū)⒔ㄖ淖枘崃υ黾拥?000KN?？勺儎偠瓤刂葡到y(tǒng)的應(yīng)用中能夠?qū)ㄖ械牟煌芍颠M(jìn)行分析和應(yīng)用。

（二）可變阻尼控制系統(tǒng)

可變阻尼器控制系統(tǒng)也被稱之為ADS控制系統(tǒng)，在可變阻尼控制系統(tǒng)中采用的是大小周期都相同的內(nèi)調(diào)節(jié)控制器。在實(shí)際應(yīng)用中由于控制器對(duì)外界的感知力不同，因此在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，這就需要對(duì)建筑的可變阻尼器進(jìn)行調(diào)控和設(shè)置，只有讓建筑的阻尼控制達(dá)到遠(yuǎn)離共振狀態(tài)，才能在實(shí)際抗震中發(fā)揮出減震作用。

（三）可控TDM控制系統(tǒng)

可控TDM系統(tǒng)是在建筑的建造中是借助于原系統(tǒng)上進(jìn)行的建筑抗震系統(tǒng)應(yīng)用，在可控TDM控制系統(tǒng)應(yīng)用中，應(yīng)該將系統(tǒng)中的不同裝置進(jìn)行有機(jī)的整合。在可控TMD控制系統(tǒng)的應(yīng)用中能夠?qū)ㄖ膶?shí)施減震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和控制，同時(shí)還能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。在數(shù)據(jù)的調(diào)整中完成了對(duì)建筑減震數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)調(diào)整。例如在美國的MTS公司的大廈Citcorp樓頂層就安裝了可控的TMD系統(tǒng)，該大廈高63層，TMD可控監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用中能夠及時(shí)的對(duì)建筑工程的運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行分析和研究。TMD可控建筑減震系統(tǒng)的應(yīng)用中是借助在一個(gè)重達(dá)400t的混凝土塊上進(jìn)行的。

（四）可控液體阻尼器

可控液體阻尼器的應(yīng)用是在電流變和磁流變技術(shù)應(yīng)用下進(jìn)行的建筑減震抗壓設(shè)計(jì)。在可控液體阻尼器的應(yīng)用中能夠及時(shí)將電場與磁場作用力排除，在極短時(shí)間內(nèi)完成建筑的可變磁場控制。在進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)減震的控制中應(yīng)該采用可變液體阻尼器進(jìn)行建筑的減震性控制。一般情況下減震控制的應(yīng)用將直接關(guān)系到建筑工程的減震能力，在現(xiàn)在的社會(huì)發(fā)展中將各種因素的可變控制液體阻尼器應(yīng)用到建筑的施工建設(shè)中，并運(yùn)用此方法進(jìn)行建筑工程的結(jié)構(gòu)減震應(yīng)用。

結(jié)語：在實(shí)際的土木工程建造中由于受到材料以及環(huán)境等各種因素的影響，在實(shí)際建造中很難保證建筑工程的抗震性，因此需要在外界因素的控制下進(jìn)行土木工程的抗震性能提升。結(jié)構(gòu)減震是在土木工程建造中經(jīng)常運(yùn)用到的一種抗震方法，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將抗震性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使土木工程的抗震性能得到明顯的提升。

參考文獻(xiàn)：

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