王 偉

(安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601)

1 技術(shù)概念發(fā)展研究

大自然中振動現(xiàn)象比比皆是，笛子通過空氣振動，發(fā)出美妙的音樂。醫(yī)學(xué)上核磁共振能夠檢測身體狀況；工程應(yīng)用上也能夠通過合理利用振動來夯實基礎(chǔ)。但并非所有的振動效應(yīng)都有助于人類生活，相反有些振動并不利于人類生活所需，從而就有了控制振動的技術(shù)，以減少振動的有害影響。

振動控制技術(shù)由來已久，早在2000年前，我國智慧人民就成功將“以柔克剛，隔振消能”的振動控制理念應(yīng)用在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的宮殿、城墻、塔樓之中，使得這些古建筑能夠完整保存至今，為現(xiàn)在的土木工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)提供了優(yōu)良的經(jīng)驗，從而得以推廣、應(yīng)用到各種復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)中。從古至今，振動控制技術(shù)一直不斷完善，從近代開始，土木工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)得到了極大的發(fā)展，使得以基礎(chǔ)隔振技術(shù)為代表的一系列技術(shù)得到了有效的應(yīng)用，并逐步發(fā)展為以智能控制理論為基礎(chǔ)的智能結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)體系?；诖?，對上述技術(shù)發(fā)展進程及成果進行研究，對于我國土木工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)實用性的進一步提升具有非常重要的意義。

結(jié)構(gòu)振動控制概念首次提出于1960年，首次在土木工程中應(yīng)用的時間為1972年，經(jīng)過多年的發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)振動控制理論已經(jīng)趨于成熟。2017年，我國學(xué)者竇超經(jīng)《祖國》形式將以結(jié)構(gòu)動力學(xué)為基礎(chǔ)的多樣化工程結(jié)構(gòu)確定性或隨機性的振動問題提出了研究成果、并將今后一段時間內(nèi)的變化更新方向信息公諸于眾，在改變文章中對振動控制理論概念進行了進一步總結(jié)[1]。他提出：以往的土木工程結(jié)構(gòu)振動控制主要是利用電磁、機械、液壓等裝置，來阻止土木工程結(jié)構(gòu)中有害振動的理論、方法。相較于傳統(tǒng)抗震設(shè)計而言，結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)可以在較大程度上蓋板結(jié)構(gòu)體系的阻尼、周期等動力特性，并利用轉(zhuǎn)移、隔離、耗散等方式，削弱地震能量，減小結(jié)構(gòu)體系面臨的地震反應(yīng)，達到控制結(jié)構(gòu)振動的目的，保證主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足在地震作用無法確定的情況下，提高土木工程結(jié)構(gòu)實用性能，達到安全性能的要求。

2 技術(shù)類別發(fā)展研究

2.1 主動控制(含半主動控制)

主動控制技術(shù)的另外一種稱謂是有源控制，是一種需要由外部提供的能量因子，支撐內(nèi)部系統(tǒng)反饋監(jiān)督以及糾正偏差，強調(diào)在監(jiān)控測度較小模塊搭配而成的整體體系中，運動式轉(zhuǎn)變狀態(tài)的同時，經(jīng)伺服反饋管控裝置，對小模塊搭配而成的整體體系施加一定的正確方向偏離差錯糾正力量[2]，以達到主動控制結(jié)構(gòu)振動的目的。主動控制主要包括控制力型、參數(shù)控制型、智能控制這三類。

2.1.1 控制力型

對于控制力型而言，在實施階段需要以土木工程結(jié)構(gòu)振動方向為樣本，朝著與樣本迥然不同的方向進行一個控制力量的施加，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制。關(guān)于控制力型的主動控制研究源于上世紀(jì)80年代，至上世紀(jì)90年代才陸續(xù)產(chǎn)生了關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)振動控制理論和實踐的研究，現(xiàn)如今已形成了包括脈沖發(fā)生器、主動支撐系統(tǒng)、主動拉索系統(tǒng)、主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)在內(nèi)的技術(shù)體系，基于此，實際工程結(jié)構(gòu)振動控制的應(yīng)用也在逐漸完善。近幾年，越來越多的學(xué)者將視線轉(zhuǎn)移到了土木工程結(jié)構(gòu)振動主動控制的實踐優(yōu)化上。比如，2019年，部分學(xué)者公諸于眾的文章中進一步討論了基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)的大傾角塔柱結(jié)構(gòu)確定性或隨機性振動工藝實施要點，初步保障了塔柱工藝作業(yè)開展處于無顯著確定性或隨機性振動的狀態(tài)。

2.1.2 參數(shù)控制型

主動控制中，參數(shù)控制又可稱之為結(jié)構(gòu)性能可變型，通過調(diào)節(jié)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)來控制振動效應(yīng)，在土木工程結(jié)構(gòu)振動控制中，參數(shù)控制僅需極少的能量，就可以改變結(jié)構(gòu)振動周期、調(diào)節(jié)控制器參數(shù)、增加阻尼，達到減小地震反應(yīng)的目的。除變摩擦控制以外，結(jié)構(gòu)性能可變型還包括變剛度控制、變阻尼控制等多種類型。

2020年，何文福、蔡培、許浩在發(fā)表于《結(jié)構(gòu)工程師》的《基于變剛度的組合系統(tǒng)的隔振性能研究》中針對當(dāng)前普通隔振支座中，存在著隔振減振效果不佳的問題，并針對此文題，提出了一種以往尚未提出的組合系統(tǒng)振動隔離裝置，并以單一模塊向整體模塊發(fā)展為遵循依據(jù)，在所受應(yīng)力下形狀變化性質(zhì)特別的情況下，進行了振動力恢復(fù)模型構(gòu)建，完善了前期相同或相近專業(yè)研究個體或群體均沒有發(fā)表的意見。他們所提出的變剛度控制組合系統(tǒng)主要是將變孔流體阻尼器設(shè)置在受控土木結(jié)構(gòu)層之間，并將電磁閥開關(guān)設(shè)置在液壓缸旁通回路上，液壓缸整體位于樓層下部，經(jīng)活塞桿與樓層上部連接。在水平地震動力影響下，受控土木結(jié)構(gòu)層會發(fā)生相對位置的連續(xù)變動。這種情況下通過調(diào)節(jié)電磁閥開關(guān)就可以由活塞帶動液壓缸內(nèi)油自由流動，維持結(jié)構(gòu)層剛度一定。

2020年，高海昌、梅志遠、楊國威等經(jīng)《復(fù)合材料學(xué)報》刊物將《夾層結(jié)構(gòu)主動溫控變阻尼振動控制技術(shù)》文章公之于眾?？镏幸酝苿訆A層結(jié)構(gòu)抑制振動需求向更高水平發(fā)展為主旨，探究了基于主動溫控變阻尼的土木夾層結(jié)構(gòu)確定性或隨機性振動工藝控制手段。該項研究根據(jù)高分子聚合材料在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)的超高阻尼特殊性質(zhì)，提出了一種以土木夾層結(jié)構(gòu)高分子聚合芯材為主體的溫度控制方法。利用聚氨酯改性環(huán)氧材料(芯材)與中間層加熱膜組成的溫度控制技術(shù)，可以控制夾層梁溫度在玻璃化的過程中，轉(zhuǎn)化周邊振動響應(yīng)幅度，達到有效的土木工程結(jié)構(gòu)振動抑制效果。

2.1.3 智能控制

智能控制顧名思義，是一種將結(jié)構(gòu)振動控制理論與人工智能結(jié)合的技術(shù)，其源于我國頻繁遭受地震災(zāi)害困擾下，土木工程安全性、抗震性能亟需增強的現(xiàn)狀，但目前還處于初步試驗階段，需要更加配備強大的能源系統(tǒng)、軟件、硬件作為支撐。但也已經(jīng)有一部分研究者開始將智能控制理念應(yīng)用于振動控制實踐。比如，2017年，部分學(xué)者在公之于眾的研究過程中，基于磁流變液對雜質(zhì)污染不敏感、存在磁流變效應(yīng)、相對工作溫度范圍變化大、電壓相對小的特征情況下，分析了流動模式、擠壓模式、混合模式、剪切模式對智能控制效果的影響，并明確提出采用流動模式+剪切模式的組合，可以有效減緩?fù)聊竟こ探Y(jié)構(gòu)的振動效應(yīng)[3]。為智能控制結(jié)構(gòu)振動提供新的實踐，并積累了智能控制對結(jié)構(gòu)振動的應(yīng)用經(jīng)驗。

2.2 被動控制

被動控制又可稱之為無源控制，其不需要監(jiān)測體系運動狀態(tài)，且沒有外界能源的支撐。通過自身的反饋系統(tǒng)來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動控制的要求，被動控制主要包括耗能吸能減振、基礎(chǔ)隔振這兩大類。

2.2.1 耗能吸能減振

耗能吸能減振主要是以土木工程結(jié)構(gòu)體系為目標(biāo)，進行吸振器、阻尼器的恰當(dāng)設(shè)置，利用相關(guān)裝置達到耗散、吸收結(jié)構(gòu)振動能量的作用。在現(xiàn)實環(huán)境中應(yīng)用頻率處于突出水平的調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)首次提出于上世紀(jì)40年代，起初被用于控制建筑物風(fēng)振反應(yīng)。隨后在上世紀(jì)70年代開始應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)振動控制。比如，美國紐約世界貿(mào)易大廈中心大樓、澳大利亞悉尼電視塔分別在頂部、中部安裝了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，有效控制了結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)。而2020年，國內(nèi)行業(yè)研究人員徐滿清，鹿守山，盛國君也選擇《南昌工程學(xué)院學(xué)報》刊物將相關(guān)研究成果公之于眾[4]，更進一步拓展調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的應(yīng)用。近幾年，調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)逐漸區(qū)域成熟，將其應(yīng)用于大跨度橋梁中，可以有效提高橋梁舒適度、安全性；除此之外，在現(xiàn)實工程實施中表現(xiàn)最為突出的是調(diào)液質(zhì)量阻尼器減振系統(tǒng)，其首次應(yīng)用于固定式海洋平臺上的儲液罐，從上世紀(jì)80年代開始引入到地面，并逐漸在土木工程結(jié)構(gòu)振動控制中得到應(yīng)用，發(fā)展至今，技術(shù)體系更加成熟。比如，在2019年，朱林、蘇振開始合作研究，并選擇《內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟》刊物作為合作研究成果發(fā)表載體。在載體中指明調(diào)液阻尼器能夠以儲液箱為承載單元，來減緩高層建筑結(jié)構(gòu)左右微小的運動幅度[5]。

2.2.2 基礎(chǔ)隔振

基礎(chǔ)隔振技術(shù)主要是在被分隔的結(jié)構(gòu)部分之間，進行隔振裝置的設(shè)置，達到改變土木工程結(jié)構(gòu)體系自振的特殊性質(zhì)，消耗或消除輸入結(jié)構(gòu)地震能量的目的。當(dāng)前以夾層橡膠墊隔振技術(shù)應(yīng)用體系最為完善。比如，劉明雨于2018年，在《山西建筑》期刊中，發(fā)表了題為《橡膠隔振支座夾層橡膠墊豎向性能研究》的文章。文章中提出了一個鮮明的觀點：夾層橡膠墊隔振概念不存在組成結(jié)構(gòu)紛繁性的問題，其建造資金無額外缺失點、運行過程無不確定沖擊因子等優(yōu)良特點決定了其大面積應(yīng)用價值。

2.3 混合控制

混合控制就是將主動控制、被動控制聯(lián)合之后的技術(shù)，不僅可以發(fā)揮被動控制系統(tǒng)在振動能量耗散方面的優(yōu)勢，而且還可以利用主動控制系統(tǒng)的優(yōu)良作用，更加有效地對土木工程結(jié)構(gòu)施加抑制操作，大大降低土木工程結(jié)構(gòu)的振動影響。當(dāng)前，混合控制已經(jīng)有成功應(yīng)用于橋梁土木結(jié)構(gòu)振動控制的實例，并且在結(jié)構(gòu)振動控制適用性和穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)較佳。比如，2019年，部分學(xué)者以設(shè)備-結(jié)構(gòu)體系為中心，利用振動臺加載控制功能，以自由度縮減后的土體作為樣本，憑借仿真軟件核算功能，驗證了后者極高的推廣價值。

從類別劃分上來看，除主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)+調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)以外，土木工程結(jié)構(gòu)振動混合控制還包括耗能吸能減振+主動溫控變阻尼、質(zhì)量雙調(diào)諧阻尼器、主動溫控系統(tǒng)+基礎(chǔ)隔振系統(tǒng)幾種類別。比如，2017年，部分學(xué)者類推了研究樣本的減振核算公式，并對具體設(shè)計方法進行了歸納。在這個基礎(chǔ)上，依托調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的有限元模型下的單自由度體系，在初始位移一定的情況下，開展了自由振動試驗。實驗結(jié)果表明：液體質(zhì)量雙調(diào)諧振動器具有較大的可行性、并能夠準(zhǔn)確減少結(jié)構(gòu)振動效應(yīng)，且設(shè)計過程較為簡便，可以滿足30層框架結(jié)構(gòu)在地震影響下的減振作用。

3 工程應(yīng)用發(fā)展研究

大跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)剛度、阻尼均處于一個較小的數(shù)值，在交通工具、地震、風(fēng)等外界激勵下極易出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，勢必需要嚴(yán)格控制振動影響，防控因結(jié)構(gòu)振動而引發(fā)的行人、行車不適感或者結(jié)構(gòu)疲勞破壞、動力失穩(wěn)問題，甚至較少橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。近幾年，越來越多的學(xué)者結(jié)合大跨徑橋梁工程實際情況，研究了新型振動控制技術(shù)的應(yīng)用，并通過實驗分析了現(xiàn)有土木工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)的優(yōu)勢及存在的不足。比如，2019年，劉小璐、蘇成、李保木等學(xué)者選擇將合作研究成果公之于眾，成果展現(xiàn)渠道為《土木工程學(xué)報》，成果展現(xiàn)核心論點為地震激勵的行波效應(yīng)以及局部場地效應(yīng)下，兼具調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和調(diào)諧液體阻尼器的新型阻尼減振系統(tǒng)具有更好的減振效果，且更具耐久性[6]，為大跨徑橋梁的減振提供了較好的解決辦法。

4 總 結(jié)

綜上所述，根據(jù)外部能源是否輸入這一標(biāo)準(zhǔn)，可以將土木工程結(jié)構(gòu)控制技術(shù)劃分為主動、被動、混合控制幾個類別。常用的主動控制技術(shù)包括控制力型、結(jié)構(gòu)性能可變型(含半主動控制)；常用的被動控制技術(shù)為基礎(chǔ)隔振、耗能吸能減振；混合控制裝置則指主動控制+被動控制的不同組合形式。

經(jīng)過眾多學(xué)者長時間堅持不懈的研究，相關(guān)技術(shù)得到了顯著的變化更新。在后續(xù)發(fā)展進程中，這項技術(shù)中的被動控制有望憑借已開展的實際工程經(jīng)驗更加實用化、科學(xué)化、規(guī)范化，而半主動控制、混合控制技術(shù)的試驗試點范圍有望進一步拓展，逐步邁向?qū)嵱没M程。