振動控制技術(shù)在土木結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

江蘇 揚州 225009

正文：

引言

簡而言之，結(jié)構(gòu)振動控制的主要原理就是采用合適的控制方式，來減輕振動給結(jié)構(gòu)帶來的影響。而結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在土木工程中發(fā)展的時間并不算長。

1 隔震控制技術(shù)的基本原理

結(jié)構(gòu)的減震控制主要是指在對建筑進行建設(shè)的時候，在建筑中的某一個部位安裝一定的控制裝置或者種子結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動的過程中，建筑結(jié)構(gòu)中所安裝的控制裝置以及種子結(jié)構(gòu)將會對振動力進行控制，以減小結(jié)構(gòu)的振動幅度。從而使建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到有效提高，降低地震給建筑結(jié)構(gòu)帶來的破壞，進一步保障建筑內(nèi)人員的人身安全，由地震反應(yīng)譜我們了解到，隨著周期的不斷加大，其加速度的反應(yīng)譜就會逐漸的縮小，一般低層建筑的剛度是較大的，所以其周期是比較短的，在地震的時候其中的加速度是相對比較大的，所以假如我們采取一個相應(yīng)的措施加大了其延長結(jié)構(gòu)基本的自振周期，使其遠離場地的卓越周期，使得結(jié)構(gòu)的基頻始終處于一個地震能量高的頻段以外，就可以有效地降低其建筑物的輸入加速度[1]。

2 被動控制

2.1 基礎(chǔ)隔振

結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔振這個概念最早是在1881年由日本的學(xué)者河合浩藏提出的。它主要通過減小地震時向地表傳輸?shù)哪芰繌亩龅綔p小結(jié)構(gòu)的振動的目的。1924年，日本的鬼頭鍵三郎提出了基礎(chǔ)軸承隔振方案。1978年，美國的Kelly提出疊層橡膠支座隔振方案以及實施的技術(shù)。而Kelly提出的這種隔振技術(shù)的實用性和可行性都是最為成熟的，因此，他的這種隔振方案在現(xiàn)在的工程中是運用最為廣泛的。而通過多年對有關(guān)隔振以及隔振結(jié)構(gòu)工作性能的定量化經(jīng)驗的研究，經(jīng)過對隔振方案的篩選和改善，現(xiàn)在普遍認為疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔振體系是最為可靠和有效的隔振體系。但是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)隔振的體系只適應(yīng)于高頻率的地震波，因此這種方式只對中低層的建筑比較有效，不適用于高層建筑。

2.2 耗能吸能減振

（1）金屬屈服阻尼器

金屬屈服阻尼器是一種用軟鋼或者其他材質(zhì)制造而成的阻尼耗能設(shè)備。將它應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)中，能夠有效降低建筑結(jié)構(gòu)的振動幅度，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而防止地震的振動給建筑帶來較大的影響，提高建筑的安全性及穩(wěn)定性。

（2）摩擦阻尼器

摩擦阻尼器的基本組成是金屬（或其它固體材料）元件，這些元件之間能夠相互滑動并且產(chǎn)生摩擦力。它對結(jié)構(gòu)進行振動控制的機理是將結(jié)構(gòu)振動的部分能量通過阻尼器中元件之間的摩擦耗能耗散掉，從而使結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)得到有效降低。摩擦阻尼器源自于上世紀七十年代，經(jīng)過多年應(yīng)用后，為了使其能夠適用于更多的建筑類型，各相關(guān)學(xué)者就加強了對新型摩擦阻尼器的研發(fā)，如1982年P(guān)all和Marsh提出的十字型 雙向摩擦阻尼器（Pall摩擦阻尼器），1990年Aiken和Kelly提出的可復(fù)位的Sumitomo單向摩擦阻尼器等。Pall摩擦阻尼器已在加拿大得到應(yīng)用，Sumitomo摩擦阻尼器在日本也已得到應(yīng)用[2]。

3 主動控制

3.1 控制力型

主動控制是一種需要額外能量的控制技術(shù)?？刂屏π椭饕玫浇Y(jié)構(gòu)的傳感器和作動器。傳感器接收到結(jié)構(gòu)外部的振動，如風(fēng)荷載、地震等，隨后將這些振動信息傳遞給作動器，而作動器接收到由傳感器傳遞的振動信號后，對結(jié)構(gòu)施加一定的控制力，從而控制結(jié)構(gòu)對外部振動作出的反應(yīng)并使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動快速減小或抑制。

3.2 結(jié)構(gòu)性能可變型

結(jié)構(gòu)性能可變型不完全屬于主動控制，它是基于主動控制和被動控制之間而發(fā)展起來的一種方法，因此也稱為半主動控制。半主動控制是建立在主動控制算法的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種結(jié)構(gòu)振動控制的方法。之所以稱之為半主動控制，也是因為其不僅具有主動控制的優(yōu)點，同時還兼?zhèn)淞吮粍涌刂频哪承﹥?yōu)點。半主動控制相對于主動控制來說，成本較低、質(zhì)量較輕、控制和操作也較為簡單方便，而且不需要消耗大量的外部能量，只需要極少的能量就可以達到控制結(jié)構(gòu)振動的效果。同時它也克服了被動控制對環(huán)境變化的適應(yīng)力較低以及控制效果不佳的缺點。半主動控制只需要從外部獲取少量的能量，而不像控制力型那樣需要大量的能量就可以達到預(yù)期的效果。因此，半主動控制較控制力型來說有著更好的發(fā)展空間。在未來，半主動控制也會更多被用在土木工程的行業(yè)中。

4 結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 結(jié)構(gòu)控制中的非線性控制

結(jié)構(gòu)控制中的非線性控制是近年來研究的重要方向，較為有效的控制策略有模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。但結(jié)構(gòu)的非線性控制在實際操作中卻較為復(fù)雜，所以至今僅僅涉及運用反饋線性化策略研究系統(tǒng)的輸出調(diào)節(jié)問題，并且都依賴于被控對象的解析模型，這就使得非線性控制的發(fā)展受到了極大的限制。但隨著諸多學(xué)者的研究和不斷完善，以后結(jié)構(gòu)的非線性控制一定會得到快速的發(fā)展[3]。

4.2 結(jié)構(gòu)控制中半主動控制與混合控制的融合

半主動控制和混合控制的融合是今后土木工程結(jié)構(gòu)控制的重要發(fā)展方向，它具有半主動控制和混合控制的優(yōu)點，而且克服了兩者的缺點，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。為了今后能更好的應(yīng)用這種方法，我們還需要將這種控制方法不斷進行提高和完善，這樣才能真正廣泛地運用到土木工程結(jié)構(gòu)振動控制中去。結(jié)構(gòu)振動控制在高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)都有著較為廣泛的發(fā)展前景，隨著我國高層及超高層建筑的發(fā)展，并將給半主動控制和混合控制的融合帶來越來越廣闊的發(fā)展空間。

5 結(jié)束語

地震是給人們帶來災(zāi)難最嚴重的自然災(zāi)害之一，因此如何減輕地震帶來的災(zāi)害受到抗震部門關(guān)注的重點，其中土木工程結(jié)構(gòu)振動控制在抗震領(lǐng)域中具有重要意義。在此，筆者根據(jù)自己親身經(jīng)驗對土木工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)的發(fā)展進行整體分析，主要目的是保證土木工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固，減少建筑對社會災(zāi)害，同時，為人們生活也帶來了一定的保障。