土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的最佳多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器模型

韓秀龍

【摘? 要】抵抗地殼振動(dòng)最有效的手段和方式就是指的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)。為了深入的分析和研究土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制技術(shù)，本文對(duì)文獻(xiàn)資料法和描述性研究法進(jìn)行采用，從而以振動(dòng)控制技術(shù)為研究對(duì)象，對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)的多種控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)地分析，從而對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)在未來的發(fā)展前景進(jìn)行了簡要地探討，希望能為土木工程的施工人員提供振動(dòng)控制技術(shù)方面的參考和幫助。

【關(guān)鍵詞】土木工程結(jié)構(gòu);振動(dòng)控制技術(shù)

土木工程是伴隨著人類社會(huì)的發(fā)展而發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類的問題上抵抗各種各樣的自然災(zāi)害也取得了一定的進(jìn)展。但是在偉大的自然面前，人類仍然很小。我們需要更多的先進(jìn)技術(shù)和成套設(shè)備對(duì)災(zāi)害。傳統(tǒng)的沖擊技術(shù)和安全性能的影響非常有限，如果地震發(fā)生，無法支撐結(jié)構(gòu)，可能會(huì)損害是嚴(yán)重的，甚至帶來非常嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)的損失。作為一種全新的技術(shù)措施，振動(dòng)控制技術(shù)能夠減輕與緩和土木工程結(jié)構(gòu)在地震、強(qiáng)大風(fēng)力、洪水浪潮等動(dòng)力荷載作用下的振動(dòng)反應(yīng)，通過改善和提高工程結(jié)構(gòu)的抗振性能來的延長土木工程結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

1.土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的相關(guān)內(nèi)容

對(duì)于減振結(jié)構(gòu)來說，主要是土木工程結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力裝置，通過在這個(gè)裝置中裝備相關(guān)的零件來促使減振目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)土木工程結(jié)構(gòu)受到一定破壞的時(shí)候，相關(guān)的裝置就會(huì)具備一定的彈塑性，從而能夠有效的對(duì)受到破壞的時(shí)候所產(chǎn)生的能量進(jìn)行消耗以及吸收，同時(shí)也能避免對(duì)土木工程機(jī)構(gòu)產(chǎn)生巨大的影響，從而能夠滿足減振的要求。

對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制而言，能夠有效的對(duì)地震能量進(jìn)行消耗。近年，有一部分國家已經(jīng)越來越重視對(duì)結(jié)構(gòu)控制的研究，從而在結(jié)構(gòu)層面上添加控制體系，進(jìn)而能夠促使兩者共同抵抗動(dòng)荷載。而且，能夠?yàn)橄牡卣鹉芰繋硪欢ǖ膸椭?。此外，土木工程機(jī)構(gòu)振動(dòng)控制能夠有效的避免地震、海浪、風(fēng)等對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)也能促使抗災(zāi)能力的提高。

2土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)

2.1被動(dòng)控制技術(shù)

“被動(dòng)控制”的主要工作原理為：經(jīng)過改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量M、剛度K以及阻尼C，然后采取耗能、吸振、隔振等方法去降低結(jié)構(gòu)所吸收的能量以實(shí)現(xiàn)減振的目的?！氨粍?dòng)控制”最大的特點(diǎn)是僅依靠結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)內(nèi)部來改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性以達(dá)到控制，不需要任何外部能源。此外，還由于“被動(dòng)控制”具有便于維護(hù)、造價(jià)低、構(gòu)造簡易等優(yōu)勢(shì)而被土木工程界廣泛應(yīng)用。從控制機(jī)理角度可將“被動(dòng)控制”細(xì)分為隔振技術(shù)、吸振技術(shù)、耗能技術(shù)等3種。土木工程結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制在一般意義上指的是在結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位附加一個(gè)子系統(tǒng)或是對(duì)結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件的構(gòu)造進(jìn)行處理以改變結(jié)構(gòu)體系的一種動(dòng)力特征。被動(dòng)控制的構(gòu)造較為簡單，工程造價(jià)也就相對(duì)較低。不需要工程提供外部的能源和經(jīng)濟(jì)，非常易于土木工程的實(shí)際應(yīng)用和后期維護(hù)。這種控制技術(shù)對(duì)成本投入的要求較低，無需外界在資金和能源上的支持，并且后期的維護(hù)工作易于操作。被動(dòng)控制技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn)引起了土木工程建設(shè)產(chǎn)業(yè)的廣泛關(guān)注，使其迅速成為了當(dāng)前土木工程應(yīng)用開發(fā)的熱點(diǎn)。

基礎(chǔ)隔震裝置在上部結(jié)構(gòu)和地質(zhì)基礎(chǔ)之間設(shè)置某種隔震消能裝置的基礎(chǔ)隔震體系，具有足夠的初始剛度、強(qiáng)度和巨大的變形能力，是隸屬于結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制中的一種控制技術(shù)。這種被動(dòng)控制的技術(shù)裝置主要通過降低地面振動(dòng)向上部結(jié)構(gòu)傳輸?shù)膭?dòng)力能量，來達(dá)到減緩?fù)聊竟こ探Y(jié)構(gòu)實(shí)際振動(dòng)幅度和頻率的最終目的。中國對(duì)基礎(chǔ)隔震的研究開展得相對(duì)較早，在理論研究、技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用者三個(gè)方面都有著豐碩的研究成果和成熟的結(jié)論體系。隔震技術(shù)所采用的材料主要有橡膠墊、金屬涂料滑塊和精選出來的細(xì)砂等。

2.2主動(dòng)控制技術(shù)

土木工程結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制采用現(xiàn)代化的科學(xué)控制技術(shù)，針對(duì)由各類原因造成的地殼振動(dòng)和土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，實(shí)施實(shí)時(shí)性的跟蹤和預(yù)測(cè)。這種主動(dòng)控制技術(shù)對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)施加一定的壓力和控制力，以此來改變工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特性，進(jìn)而促使工程結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)性能同時(shí)滿足土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的優(yōu)化準(zhǔn)則，是一種以達(dá)到降低或抑制土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)為根本目的的控制技術(shù)。主動(dòng)控制技術(shù)在通常的情況下可以簡單地分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制這兩種基本的控制方式。主動(dòng)開環(huán)控制的控制方式是一種直接對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的擾動(dòng)輸入進(jìn)行測(cè)量，再根據(jù)測(cè)量結(jié)果中具體的數(shù)據(jù)和信息綜合出控制規(guī)律的控制技術(shù)。主動(dòng)閉環(huán)控制的控制方式則是一種通過結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)反饋和輸出反饋來對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)產(chǎn)生一定控制作用的控制技術(shù)。

主動(dòng)控制的技術(shù)研究所涉及的范圍很廣，是一門知識(shí)交叉型的專業(yè)學(xué)科，主要研究結(jié)構(gòu)工程、機(jī)械工程、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、隨機(jī)振動(dòng)、振動(dòng)測(cè)量、控制理論和自動(dòng)控制技術(shù)等與工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)相關(guān)的課題。和被動(dòng)控制技術(shù)相比，主動(dòng)控制技術(shù)的控制效力更為顯著，但是應(yīng)用于土木工程建設(shè)之中的工程造價(jià)和設(shè)備要求也很高，需要外部提供大量的能源支持和資金支持。這就讓中國學(xué)界將研究土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的重點(diǎn)更多地放在了效果仿真的分析、研究和主動(dòng)控制的算法、裝置等實(shí)驗(yàn)方面。

2.3混合控制技術(shù)

混合控制技術(shù)，顧名思義，是綜合應(yīng)用被動(dòng)控制技術(shù)和主動(dòng)控制技術(shù)，使兩種控制方式協(xié)調(diào)統(tǒng)一，共同作用的一種控制方式。綜合了被動(dòng)控制和主動(dòng)控制這兩種控制技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的混合控制，不僅可以應(yīng)用被動(dòng)控制系統(tǒng)來增大對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量的大量耗散，還能利用主動(dòng)控制系統(tǒng)，在節(jié)省能源和資金的同時(shí)，確保對(duì)地殼振動(dòng)的基本控制效果。最典型的的幾種混合控制裝置有基礎(chǔ)隔震和主動(dòng)控制相組合的混合控制裝置，耗能減震和主動(dòng)控制相組合的混合控制裝置，鎮(zhèn)定錨索和錨索系統(tǒng)相組合的混和控制裝置以及AMD和TMD相組合的混合控制裝置等。兼具多種控制方式優(yōu)點(diǎn)的混合控制技術(shù)對(duì)振動(dòng)有著穩(wěn)定而良好的控制功效，發(fā)展前景極為廣闊。

3結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的未來發(fā)展

作為一門學(xué)科交叉復(fù)雜的新興學(xué)科，土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制涉及到了多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)技術(shù)和實(shí)踐技能。展望其在未來的發(fā)展方向和發(fā)展前景，可以總結(jié)出以下四點(diǎn)：首先，以對(duì)振動(dòng)能量的控制和回收為基礎(chǔ)和目標(biāo)的土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)，在不久的將來會(huì)發(fā)展成為一個(gè)炙手可熱的研究新方向。其次，系統(tǒng)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟的被動(dòng)控制技術(shù)，會(huì)朝著規(guī)范合理化和科學(xué)實(shí)用化的方向繼續(xù)發(fā)展。再次，針對(duì)主動(dòng)控制技術(shù)與混合控制技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和分析研究會(huì)被研究人員逐漸重視和加強(qiáng)。最后，振動(dòng)控制技術(shù)的研究學(xué)科會(huì)很快就會(huì)開始研究和建立起專門研究土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)耗能構(gòu)建的力學(xué)模型。

4結(jié)束語

就當(dāng)前中國的土木工程建設(shè)來說，雖然有一些土木工程已經(jīng)開始采用被動(dòng)控制、主動(dòng)控制或混合控制等控制技術(shù)，但振動(dòng)控制技術(shù)在大多數(shù)土木工程的建設(shè)過程中并沒有得到廣泛的應(yīng)用。但這也為振動(dòng)控制技術(shù)留些了巨大的發(fā)展空間。在不久的將來，土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制這門學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展會(huì)越來越成熟。

參考文獻(xiàn)：

[1]逯靜洲，李慶斌.電流變體在結(jié)構(gòu)工程振動(dòng)控制中的應(yīng)用研究[J].煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程版），2010（3）：223-228.

[2]翁光遠(yuǎn)，王社良等.磁控形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（5）：631-636.

[3]孫樹民.土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展[J].噪聲與振動(dòng)控制.2014，（1）

[4]史 云.論土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究進(jìn)展[J].民營科技.2012，06：16