土木工程結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)研究

辛石磊

（臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)院，山東 臨沂 276017）

傳統(tǒng)土木工程中的結(jié)構(gòu)減震具有一定的被動性和消極性。相對于傳統(tǒng)土木工程中的結(jié)構(gòu)減震技術(shù)來說，結(jié)構(gòu)減震控制作為一門新興技術(shù)，旨在通過相應(yīng)的控制方法減輕和抑制結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)、地震等動荷載作用下的動力響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性，以滿足結(jié)構(gòu)的適用性和安全性要求，對于建筑物質(zhì)量的提升有著立竿見影的效果。由此可見，研究土木工程結(jié)構(gòu)的減震控制技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)概述

土木工程建設(shè)中，結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)可以對由地震所形成的震動進(jìn)行全面建筑結(jié)構(gòu)的隔離。土木工程中的抗震體系通常設(shè)置在工程結(jié)構(gòu)的底部和地基的頂部之間，以方便上部結(jié)構(gòu)和地基的有效分離。依托隔離系統(tǒng)對地震波形成的向上沖擊力予以隔離，可以延長工程結(jié)構(gòu)的基本周期，進(jìn)一步減少建筑物的地震反應(yīng)；隔離系統(tǒng)還能分擔(dān)地震所產(chǎn)生的能量，進(jìn)而達(dá)到減震的目的。根據(jù)地震反應(yīng)譜，加速度反應(yīng)譜與周期呈負(fù)相關(guān)。底層建筑的剛度通常很大，所以周期變短，在發(fā)聲振動過程中，獲得的加速度非常大，通過應(yīng)用相關(guān)手段可以延長工程結(jié)構(gòu)的基本自震周期，使工程結(jié)構(gòu)基頻維持在地震引發(fā)高能量頻段之外，依托該技術(shù)可以有效降低建筑物的傳遞加速度。

2 現(xiàn)代土木工程中結(jié)構(gòu)減震控制的主要方法

2.1 被動控制方法

被動控制方法由于其優(yōu)良特性得到了廣泛的應(yīng)用。被動控制主要包括基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)、耗能減震體系及協(xié)調(diào)減震體系三種類型，其中基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的核心是研制性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的隔震裝置。早在20世紀(jì)70年代末，研究人員就提出了一種隔震疊層橡膠軸承的方法，自問世以來，發(fā)展迅速，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震也進(jìn)入了黃金發(fā)展時代。在接下來的發(fā)展中，研究人員相繼開發(fā)出了許多應(yīng)用廣泛的隔震裝置，如疊層橡膠墊隔震裝置、粉末墊層隔震裝置、底座滑動隔震裝置、鉛滯后減震器隔震裝置、鋼滯后減震器隔震裝置、懸架底座隔震裝置、混合隔震裝置等。從全球范圍來看，數(shù)以萬計(jì)的獨(dú)立建筑和橋梁已經(jīng)建成。這些工程在實(shí)際地震經(jīng)驗(yàn)中均表現(xiàn)出良好的減震效果。

2.2 主動控制方法

與被動控制不同的是，主動控制是基于現(xiàn)代化的控制理論，結(jié)構(gòu)的主動控制是利用外部的能源將震動過程中造成的作用力降低，可以防止震動過程中給建筑物結(jié)構(gòu)造成的影響。與被動控制方法相比，主動控制方法有著更好的控制力和更加精確的結(jié)構(gòu)模型。主動控制方法是通過作動器來控制結(jié)構(gòu)，能夠抑制結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，有效降低這些反應(yīng)的強(qiáng)度。主動控制包括兩種類型，一種是閉環(huán)控制，另一種是開環(huán)控制。其研究方向也有兩個，一個是主動控制裝置的應(yīng)用與開發(fā)，另一個是對主動控制算法的運(yùn)用和處理。由于主動控制方法是以現(xiàn)代化的控制理論為指導(dǎo)基礎(chǔ)，然后根據(jù)土木工程實(shí)際的進(jìn)行情況進(jìn)行相應(yīng)的處理，因此在土木工程施工中得到了廣泛的應(yīng)用。但目前主動控制方法主要的研究方法是根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)以及現(xiàn)有的理論來對模型進(jìn)行分析，在某些特定的情況下存在著一定的限制性。目前，對主動控制方法的限制主要包括以下四個方面：（1）在地震中主動控制系統(tǒng)的運(yùn)作問題。例如，日本的高層建筑都采用了AMD以及HMD的原理，在風(fēng)振和環(huán)境振動過程中確保了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并且有很好的效果，但是在大地震過程中，未能達(dá)到很好的效果。（2）時間滯后問題。由于主動控制方法是以現(xiàn)代化的控制理論為指導(dǎo)基礎(chǔ)的，在應(yīng)用時往往會在信號的運(yùn)算和處理等方面需要消耗一定的時間，因此出現(xiàn)了時間的滯后問題。主動控制方法的時間滯后問題，暫時沒有有效的解決辦法。目前，有人提出了通過補(bǔ)償?shù)姆椒▉砭徑鈺r間滯后的問題，有待進(jìn)一步研究。（3）能量問題。主動控制系統(tǒng)的運(yùn)行主要依賴于外部能量的輸入，如何保證地震時能量的相對可靠成為結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)領(lǐng)域土木工程施工中需要考慮的關(guān)鍵問題。（4）設(shè)備維護(hù)。除上述問題外，設(shè)備維修也是主要問題之一。目前，我國大型土木工程施工中，大跨度橋梁的使用壽命一般為幾十年，有的甚至幾百年，在此期間，主動控制系統(tǒng)必須保持完整的功能。如何保證系統(tǒng)的完善，特別是作為核心部件的計(jì)算機(jī)，如何保證其在長期運(yùn)行下的性能和穩(wěn)定性，已成為需要解決的問題之一。

2.3 半主動控制方法

在控制方法中，不只包括主動控制和被動控制，還包括半主動控制方法。此法與主動控制和被動控制在能量的輸入上有些許差別，可以在施加少量外部能量和不施加加外部能量的情況下進(jìn)行控制，同時對于整個結(jié)構(gòu)動力的控制而言，可以利用調(diào)節(jié)參數(shù)來進(jìn)行。與前兩種方法相比，半主動控制的可靠性與被動控制相當(dāng)，適應(yīng)性與主動控制相當(dāng)，具備兩者的共同優(yōu)勢，而且在造價(jià)上也存在很大優(yōu)勢。綜合來看，半主動控制方法在今后有著極大的發(fā)展前景。早在19世紀(jì)末，日本就曾將半主動控制系統(tǒng)用于地震的減震工作中，并且獲得了較好的減震效果。

大量實(shí)踐證明，半主動控制系統(tǒng)不僅結(jié)合了主動控制系統(tǒng)和被動控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，還可以根據(jù)外界環(huán)境狀態(tài)以及自身結(jié)構(gòu)狀態(tài)來進(jìn)行控制工作，相對于主動控制系統(tǒng)在地震時由于能量來源切斷而無法進(jìn)行控制工作而言，半主動控制系統(tǒng)進(jìn)行控制工作所需要的能量是很低的，可以直接通過電池來供給。而且，對于半主動控制系統(tǒng)而言，其所對應(yīng)的設(shè)施要求較為可靠，日常運(yùn)營維護(hù)成本也很低。從某種程度上可以說，半主動控制系統(tǒng)是目前而言最有效的土木工程減震方法。

3 技術(shù)保障措施

3.1 施工原材料質(zhì)量控制

原材料的質(zhì)量決定了工程的質(zhì)量，因此在施工前必須管控好原材料的質(zhì)量，防止在施工時或施工完成后出現(xiàn)問題。在選擇原材料時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇符合工程要求的材料，不要選擇不合理的材料。施工場地的原材料需要有專人查看，以防止材料質(zhì)量的損壞。審查原材料時，需要從各個方面嚴(yán)格進(jìn)行，防止施工中使用不合格材料，影響施工質(zhì)量。

3.2 施工作業(yè)人員管理

人員作為土木工程施工質(zhì)量控制的重要載體。施工企業(yè)應(yīng)加大對施工和管理人員的培訓(xùn)力度，使已建立的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)在人員之間得到整合。此外，還要制定科學(xué)有效的獎懲制度，提高施工人員的積極性，然后把更多有效的技術(shù)措施投入實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)中。這樣可以控制施工過程中的質(zhì)量問題，從而提高土木工程施工的整體質(zhì)量。

3.3 施工質(zhì)量控制

土木工程包括攤鋪、碾壓和接縫等環(huán)節(jié)，在各個環(huán)節(jié)都要進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)管理。在攤鋪時，由于其要求的特殊性，必須有專業(yè)人員指揮工作，防止施工材料不合規(guī)格。在進(jìn)行碾壓工作時，要嚴(yán)格控制碾壓路徑、碾壓次數(shù)和速度，從而使橋梁的壓實(shí)效果達(dá)到最大化。在土木工程施工過程中，只有嚴(yán)格對每項(xiàng)施工工程都進(jìn)行安全檢查，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各工序之間的關(guān)系，同時嚴(yán)格進(jìn)行工程的評定工作，才能保障施工質(zhì)量。

4 結(jié)束語

近年來，隨著越來越多的企業(yè)開始重視土木工程中的結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)，使得結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用與長足發(fā)展。結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)的使用門檻越來越低，這為技術(shù)的進(jìn)一步普及打下了良好的基礎(chǔ)。由于結(jié)構(gòu)減震技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用使得建筑物的安全性和適用性能夠大幅度提升，因此在我國日后的土木工程施工中應(yīng)進(jìn)一步加大對該技術(shù)的重視程度，大力發(fā)展并深入研究其應(yīng)用要點(diǎn)，進(jìn)而推動我國建筑行業(yè)整體向前發(fā)展。