李春偉/華北理工大學(xué)

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制概況綜述

李春偉/華北理工大學(xué)

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制在土木工程領(lǐng)域的研究已有近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，其研究范疇大體又分為無(wú)源的被動(dòng)控制和有源的主動(dòng)控制。本文簡(jiǎn)要敘述了被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制以及混合控制的發(fā)展概況及應(yīng)用，作出了對(duì)振動(dòng)控制技術(shù)在未來(lái)土木工程領(lǐng)域的展望。

振動(dòng)控制；被動(dòng)控制；主動(dòng)控制；半主動(dòng)控制；混合控制

前言

傳統(tǒng)的抗震方法就是“以剛克剛”，提高建筑物結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度來(lái)抵抗地震作用。由于傳統(tǒng)抗震方法過(guò)度依賴結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，對(duì)于構(gòu)件所造成的損傷卻沒有考慮周全。1972年，美籍華人姚治平利用現(xiàn)代控制理論，把振動(dòng)控制應(yīng)用到土木工程結(jié)構(gòu)抗震中來(lái)[1]，此后，土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制迅速發(fā)展。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制按照有無(wú)能量的輸入可以劃分為被動(dòng)控制即不需要能量輸入，主動(dòng)控制即需要能量輸入，半主動(dòng)控制以及混合控制即主動(dòng)控制與被動(dòng)控制的混合[2]。

一、被動(dòng)控制

被動(dòng)控制是不需要提供外部能量的，是一種完全依靠自身的抗震減震方法。在建筑物結(jié)構(gòu)增設(shè)外部隔震或耗能構(gòu)件，有的利用建筑物自身的某些構(gòu)件，用來(lái)消耗地震帶來(lái)的巨大能量，以減少地震對(duì)上部建筑物的破壞。被動(dòng)控制主要是應(yīng)用隔、吸、耗的方法弱化強(qiáng)大的地震能量，以達(dá)到減震的目的。

（一）基礎(chǔ)隔震

基礎(chǔ)隔震技術(shù)研究的比較早，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都有了很大的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。最早于1881年，由一位日本學(xué)者河合浩藏提出了基礎(chǔ)隔震的思想。1969年南斯拉夫在災(zāi)后重新建設(shè)的建筑物中，有采用橡膠支座的設(shè)置。1993年，由周福霖教授等在廣東汕頭建成的第一座橡膠隔震建筑，經(jīng)歷了臺(tái)灣海峽地震，證明基礎(chǔ)隔震技術(shù)的可行性[3]。

隔震技術(shù)是通過(guò)在建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)與建筑物上部的結(jié)構(gòu)之間增設(shè)一層用于隔震的隔振墊，隔振墊可以吸收地震的能量。由于隔振墊的存在，將大地與結(jié)構(gòu)隔開了，也就是地震時(shí)大地在晃動(dòng)，而結(jié)構(gòu)不受地震的影響，從而達(dá)到減震的目的。除了利用橡膠墊作為隔振墊，還有滑動(dòng)摩擦隔震、鋼筋瀝青復(fù)合隔震、摩擦擺隔震以及組合隔震等多種隔震體系[4]。

（二）吸能減震

吸振減震是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置一個(gè)吸振子系統(tǒng)，當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，這個(gè)吸振子系統(tǒng)會(huì)同結(jié)構(gòu)一起振動(dòng)，承擔(dān)其中的能量而保護(hù)結(jié)構(gòu)不受破壞。吸振子系統(tǒng)主要有質(zhì)量系為固體的調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)（TMD）和質(zhì)量系為液體的調(diào)諧液體阻尼器（TLD）等[5]。

（三） 耗能減震

耗能減震是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能元件或耗能系統(tǒng)，改變結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼，將地震能量消耗，避免震動(dòng)能量傳到上部，以保證建筑物的安全性。主要的耗能裝置大體可以分為摩擦耗能、粘性和粘彈性阻尼器、金屬阻尼器[6]。摩擦耗能裝置在巨大的地震能量下會(huì)產(chǎn)生滑移，通過(guò)滑移摩擦消耗能量，降低地震對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的能量輸入，使建筑物不受破壞。阻尼器作為耗能裝置需要這種材料在進(jìn)入塑性階段后具有良好的滯回性能，金屬材料也便作為這種阻尼器的最佳材料。粘性和粘彈性阻尼系統(tǒng)的應(yīng)用也有很多，紐約的世貿(mào)中心大廈就使用了粘彈性阻尼器。

耗能減震技術(shù)可應(yīng)用各種結(jié)構(gòu)，在減震性能方面也比較突出，因而耗能減震有較大的研究?jī)r(jià)值。

二、主動(dòng)控制

結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制原理，當(dāng)?shù)卣鸬韧饨绺蓴_發(fā)生時(shí)，通過(guò)傳感器的感應(yīng)傳輸給計(jì)算機(jī)主機(jī)，計(jì)算機(jī)利用主動(dòng)控制算法對(duì)反饋來(lái)的外界干擾進(jìn)行分析計(jì)算，得出最優(yōu)主動(dòng)控制力，主機(jī)再控制主動(dòng)控制作動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)作。主動(dòng)控制即利用作動(dòng)器巨大的能量輸出，來(lái)抵抗地震等外界干擾，從而使建筑物結(jié)構(gòu)達(dá)到抗震減震的成效。

隨著結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論和控制系統(tǒng)的研究和興起，這種主動(dòng)的抗震方法能夠更好的滿足建筑物結(jié)構(gòu)的抗震性能。它可以根據(jù)外界的干擾自行調(diào)節(jié)建筑物的阻尼、剛度和抗力，并輸入能量抵消外界干擾，以保證結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。這種積極主動(dòng)的抗震技術(shù)適合絕大部分結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域有很大的發(fā)展前景。主動(dòng)控制可以有效的保護(hù)設(shè)備設(shè)施，通過(guò)反饋等智能技術(shù)做出最優(yōu)保護(hù)方案，使建筑物在提高抗震減震方面提供了一個(gè)新途徑。

三、半主動(dòng)控制

主動(dòng)控制的完成需要輸入大量的能量去使液壓伺服作動(dòng)器或電機(jī)伺服作動(dòng)器運(yùn)轉(zhuǎn)，而半主動(dòng)控制則需要較少的能量便可實(shí)現(xiàn)抗震減震的效果。半主動(dòng)控制是一種將主動(dòng)控制與被動(dòng)控制融合在一起并結(jié)合為一體的方法。在被動(dòng)控制基礎(chǔ)上加上只要較少能量的主動(dòng)控制，各取所長(zhǎng)，是目前比較經(jīng)濟(jì)適用的方法。我國(guó)學(xué)者也于上世紀(jì)末本世紀(jì)初，對(duì)主動(dòng)變阻尼控制進(jìn)行了一系列研究[7]。

四、混合控制

混合控制是應(yīng)用以上兩種或更多的控制方法，將其混合使用?；旌峡刂迫”怂L(zhǎng)補(bǔ)此所短，做到經(jīng)濟(jì)適用、便于施工、效果最優(yōu)。其中有在基礎(chǔ)隔震的基礎(chǔ)上增加主動(dòng)控制，基礎(chǔ)隔震吸收能量減少對(duì)上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，加上主動(dòng)控制進(jìn)一步減少結(jié)構(gòu)的位移。還有主動(dòng)控制與耗能減震裝置的混合，液壓阻尼系統(tǒng)與主動(dòng)質(zhì)量阻尼器的混合等等[8]。

五、結(jié)束語(yǔ)

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是一門新興的綜合性學(xué)科，它需要精密的反饋裝置來(lái)傳輸信息，強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)性能保障整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，精確且智能的控制算法來(lái)確定最優(yōu)控制力，以及作為吸耗能的重要材料。

總結(jié)全文有以下幾點(diǎn)：

1.基礎(chǔ)隔震性能的好壞與隔震材料的性能有關(guān)，對(duì)于自重不大的低層建筑是不錯(cuò)的選擇，但對(duì)于自重較大的高層建筑來(lái)說(shuō)，隔振墊還要承受結(jié)構(gòu)的自重，普通隔振墊就很難發(fā)揮很好的效果，這就需要研制性能更加良好的隔振材料。

2.由于吸能耗能減震是靠吸能耗能裝置的作用，所以，吸能耗能裝置的研究對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震來(lái)說(shuō)意義很大。

3.由于需要較大能量的消耗，這種高成本的主動(dòng)控制的研究并不是很熱門，但是主動(dòng)控制卻是在結(jié)構(gòu)抗震減震方面取得的成績(jī)令人引以為傲。而控制算法的研究是未來(lái)的研究發(fā)展方向。

4.半主動(dòng)控制只需要少量能的消耗便可得到和主動(dòng)控制相近的減震效果，比僅僅使用被動(dòng)控制或者僅僅使用主動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，工程可行、效果顯著，是現(xiàn)在研究者們熱衷于研究的方向。

5.混合控制將幾種控制方法混合使用，各需所長(zhǎng)，是未來(lái)結(jié)構(gòu)抗震減震的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]Yao J T P. Concept of Structural Control[J]. Journal of the Structural Division, 1972, 98(7): 1567-1574.

[2]李桂青, 鄒祖軍. 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制述評(píng)[J]. 地震工程與工程振動(dòng), 1987, 7(1): 83-93.

[3]徐忠根, 周福霖, 丘湘泉. 汕頭博物館結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析[J]. 世界地震工程, 1996 (2): 33-36.

[4]尚守平, 崔向龍. 基礎(chǔ)隔震研究與應(yīng)用的新進(jìn)展及問題[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2016, 41(1): 21-28.

[5]田曉磊, 喬楓. 建筑工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法綜述[J]. 中國(guó)科技投資, 2012 (30): 95-95.

[6]周云, 劉季. 耗能減震技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 世界地震工程, 1995 (1): 20-28.

[7]孫作玉, 隋麗麗. 變阻尼半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[J]. 地震工程與工程振動(dòng), 2000, 20(4): 106-111.

[8]劉季, 周云. 結(jié)構(gòu)抗震控制的研究與應(yīng)用狀況(下)—主動(dòng)控制, 混合控制及半主動(dòng)控制[J]. 哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 1995,28(5): 1-6.