土木工程結(jié)構(gòu)減震措施探析

黃舜

摘要：文章對(duì)結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)的內(nèi)涵特征和方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并在充分說明土木工程中結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)使用情況的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)發(fā)展的建議，以期使人們對(duì)該技術(shù)有更好的理解。

關(guān)鍵詞：土木工程;工程結(jié)構(gòu);減震控制

引言

傳統(tǒng)土木工程中的結(jié)構(gòu)減震主要借助彈塑性設(shè)計(jì)手段，依托加強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的抗震性能以達(dá)到減震的目的，這種方式顯然存在一定的被動(dòng)、消極性特征。結(jié)構(gòu)減震控制作為一門新興學(xué)科，其旨在借助相應(yīng)的控制手段，緩解及抑制結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)、地震等動(dòng)力荷載下的動(dòng)力反應(yīng)，提升結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性，以滿足結(jié)構(gòu)的適用性、安全性等要求。由此可見，對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)開展研究，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1結(jié)構(gòu)減震控制的概念及分類

準(zhǔn)確來講，姚治平是土木工程結(jié)構(gòu)控制概念的創(chuàng)始人，他在1972年寫了一篇論文，題目就是“結(jié)構(gòu)控制的概念”，在隨后的日子里，他的很多文章也闡述了結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)的概念。在姚治平看來，結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)使工程安全的維護(hù)有了新的一條路。自此，結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)清晰了起來。到目前為止，國內(nèi)外的學(xué)者和實(shí)踐者花了二三十年的時(shí)間去研究和實(shí)踐結(jié)構(gòu)控制的理論、方法，做了許多的實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用，并取得了大量實(shí)打?qū)嵉难芯砍晒８鶕?jù)結(jié)構(gòu)減震控制的概念和定義，結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)的作用是利用控制機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)中的設(shè)立，分擔(dān)外力帶給建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響，使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)更小，做到外界干擾很大的狀況下，結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)反應(yīng)值都不超過標(biāo)準(zhǔn)。半主動(dòng)控制、主動(dòng)控制和被動(dòng)控制是結(jié)構(gòu)減震控制中的幾大分類，該分類以是否要利用外部能源輸入為標(biāo)準(zhǔn)?？刂屏Φ漠a(chǎn)生不依靠能源的輸入，在進(jìn)行控制時(shí)，不對(duì)外界干擾信息和結(jié)構(gòu)反應(yīng)有過度需求，這種就屬于被動(dòng)控制方法。基礎(chǔ)隔震和耗能隔震是被動(dòng)控制方法的主要內(nèi)容。隔震技術(shù)主要通過改變結(jié)構(gòu)頻率實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減震，成為結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)中研究最深入、應(yīng)用范圍最廣和最成熟的部分，在全世界范圍內(nèi)，有很多的隔震建筑已經(jīng)建成并投入使用，橋梁和地鐵工程中也能頻頻看到隔震技術(shù)的身影。

2結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

2.1隔震控制技術(shù)的基本原理

無論是主動(dòng)控制還是被動(dòng)控制技術(shù)中，隔震控制技術(shù)都是關(guān)鍵，在具體的土木工程建設(shè)中，隔震控制代表由地震所產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)所帶來的隔離保護(hù)作用。一般對(duì)建筑而言，工程中所設(shè)計(jì)的防震體系都在工程結(jié)構(gòu)的最底部與基礎(chǔ)工程頂面間，它能保證建筑的底部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)相互分離，通過這一隔震體系有效隔離地震波所產(chǎn)生的向上沖擊力影響，保證整個(gè)建筑工程結(jié)構(gòu)最基本的生命周期。也就是說，通過隔震系統(tǒng)分擔(dān)來自地震所產(chǎn)生的巨大能量，達(dá)到減震保護(hù)效果。

2.2被動(dòng)控制在土木工程中的應(yīng)用

被動(dòng)控制在土木工程中的應(yīng)用主要包括三種類型：基礎(chǔ)隔震體系、耗能減震體系以及協(xié)調(diào)減震系統(tǒng)等。其中，基礎(chǔ)隔震體系是選取相關(guān)隔震消設(shè)備安裝于上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間，使地震能量向上部的輸入實(shí)現(xiàn)降低，進(jìn)而收獲上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)降低的成效。基礎(chǔ)隔震土木工程中的應(yīng)用，可顯著縮減結(jié)構(gòu)自振頻率，適用于短周期的中低層建筑及剛性結(jié)構(gòu)。因?yàn)楦粽鹬豢蓪?duì)高頻地震波發(fā)揮作用，所以該項(xiàng)控制技術(shù)不適用于高層建筑。對(duì)于耗能減震體系而言，耗能剪力墻、耗能支撐等是較為常用的耗能元件，另外，摩擦阻尼器、金屬屈服阻尼器及黏彈性阻尼器等則是較為常用的阻尼器。對(duì)于協(xié)調(diào)減震系統(tǒng)而言，應(yīng)用相對(duì)較多的協(xié)調(diào)減震系統(tǒng)包括有液壓質(zhì)量振動(dòng)控制系統(tǒng)、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器及協(xié)調(diào)液體阻尼器等。以調(diào)諧質(zhì)量阻尼器為例，其屬于一種小型的振動(dòng)系統(tǒng)，主要由質(zhì)量塊、阻尼器及彈簧等組成?？刂平Y(jié)構(gòu)振動(dòng)的機(jī)制為：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器置入原結(jié)構(gòu)體系后，動(dòng)力性能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，等到原結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下產(chǎn)生距離振動(dòng)后，因?yàn)檎{(diào)諧質(zhì)量阻尼器質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性作用，進(jìn)而對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)反作用力，如此一來，阻尼同樣會(huì)產(chǎn)生耗能作用。

2.3半主動(dòng)控制在土木工程中的應(yīng)用

主動(dòng)變剛度控制系統(tǒng)和主動(dòng)變阻尼控制系統(tǒng)是半主動(dòng)控制在土木工程中頻繁出現(xiàn)的內(nèi)容。主動(dòng)變阻尼控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在所有的采樣周期內(nèi)，把受控結(jié)構(gòu)的剛度和外荷載頻譜特性結(jié)合起來，也就實(shí)現(xiàn)了能在任意剛度值之間切換的目的，從而在每一采樣周期內(nèi)，受控結(jié)構(gòu)都能夠避免陷入共振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了減震的最終目標(biāo)，完成這個(gè)過程需要用到主動(dòng)變剛度控制系統(tǒng)。相似的，主動(dòng)變剛度控制系統(tǒng)可以在所有的采樣周期內(nèi)，任意切換獲取的阻尼狀態(tài)，完成減震目標(biāo)，在這整個(gè)過程中，要用到控制裝置。很明顯，半主動(dòng)控制技術(shù)糅合了主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)外界干擾和結(jié)構(gòu)反應(yīng)的共同反應(yīng)，去調(diào)節(jié)工程結(jié)構(gòu)。還需要提到的是，半主動(dòng)控制技術(shù)操作控制設(shè)備的能量是來自于電池輸出的能量，這就意味著，半主動(dòng)控制技術(shù)避免了主動(dòng)控制因地震等原因而無法獲取能量的缺陷。種種優(yōu)勢的累積，使得可靠、實(shí)惠成為半主動(dòng)控技術(shù)制應(yīng)用控制設(shè)備的最大特點(diǎn)，也令半主動(dòng)控制成為全世界土木工程結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)中最常見的部分。

2.4主動(dòng)控制在土木工程中的應(yīng)用

主動(dòng)控制在土木工程中的應(yīng)用，主要包括兩種類型：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)。對(duì)于開環(huán)控制系統(tǒng)而言，其是指直接結(jié)構(gòu)以對(duì)環(huán)境干擾開展檢測，結(jié)合檢測數(shù)據(jù)分析獲取控制率。對(duì)于閉環(huán)變剛度控制系統(tǒng)而言，其是在結(jié)構(gòu)反應(yīng)檢測基礎(chǔ)上有效達(dá)成的主動(dòng)控制。閉環(huán)控制有著可靠的抗干擾能力，并且對(duì)系統(tǒng)元件精度要求不高，控制成效較為顯著，因而得到了廣泛推廣。然而，即便主動(dòng)控制研究收獲了一定的成果，該項(xiàng)技術(shù)依舊不夠完備。

3土木工程減震技術(shù)中的土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制問題

土木工程減震技術(shù)中對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制效果是基于多重因素展開分析的，例如它的結(jié)構(gòu)特性、環(huán)境作用或控制算法等等。就以控制算法為例，它就涵蓋了對(duì)極點(diǎn)的最優(yōu)配置、模糊邏輯、二次型線性最優(yōu)水平或?qū)ㄖl(fā)生地震后的位移速度與加速度變量觀測等等。在這些有關(guān)土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的技術(shù)影響下，人們自始至終都希望建立一套統(tǒng)一模型，基于它的控制性能指標(biāo)來檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)中所存在的不同環(huán)境因素，深入探討環(huán)境因素影響下工程結(jié)構(gòu)本身的適用性及有效性問題，所以與結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制體系的相關(guān)問題才會(huì)被逐一提出并得到發(fā)展。

在目前的土木工程減震技術(shù)應(yīng)用與問題研究方面，人們正在從更加實(shí)用化的角度深入研究，例如探討結(jié)構(gòu)控制中有關(guān)建模與模型的講話過程、結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用以及彈塑性非線性問題、包括控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可行性、耐久性與經(jīng)濟(jì)性特征。在這些技術(shù)問題研究指引下，土木工程減震技術(shù)也正在從結(jié)構(gòu)控制基礎(chǔ)技術(shù)向新興控制技術(shù)過渡，實(shí)現(xiàn)更多層面的自動(dòng)化、智能化技術(shù)應(yīng)用結(jié)合，為人類建筑領(lǐng)域發(fā)展提供更多有價(jià)值參考。

結(jié)束語

現(xiàn)階段，結(jié)構(gòu)減震技術(shù)的理論研究和應(yīng)用推廣在很多國家都有。作為一門技術(shù)門檻和科學(xué)門檻都不低的應(yīng)用科學(xué)，結(jié)構(gòu)減震技術(shù)的應(yīng)用為各類建筑的抗震做出了巨大的貢獻(xiàn)，使建筑物的適用性和安全性都大幅度提高。我國應(yīng)重視結(jié)構(gòu)減震技術(shù)的發(fā)展，把握住未來抗震技術(shù)的發(fā)展方向，進(jìn)行更加深入的研究，推動(dòng)其發(fā)展，從而推動(dòng)土木工程建筑的發(fā)展。

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