淺談建筑結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)

翟永兵

【摘 要】近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平的日益提高，同時也帶動了我國建筑工程的快速發(fā)展，而在建筑工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)中，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系是通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的性能從而達(dá)到“抗御”地震的目的。土木工程結(jié)構(gòu)振動控制有利于降低結(jié)構(gòu)在地震、流水、海浪、風(fēng)、車輛等動力作用下結(jié)構(gòu)所造成的損傷，能夠有效地將結(jié)構(gòu)抗震防災(zāi)能力相對增強(qiáng)。結(jié)構(gòu)控制引起了世界各國地震工程界的廣泛重視，是一種新型的結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)。但這種方法的作用與安全性相對是較低的，所以在這種不確定性的地震作用下，結(jié)構(gòu)的安全性能并不能得到充分的保障，最后產(chǎn)生倒塌或遭到嚴(yán)重破壞，造成人員傷亡與巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文就建筑工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)進(jìn)行分析，并對其的發(fā)展進(jìn)行討論。

【關(guān)鍵詞】建筑工程；震動控制；發(fā)展

一、結(jié)構(gòu)控制的特點、發(fā)展與現(xiàn)狀

（一）按控制對能量需求來劃分

從控制對外部能量需求的角度，結(jié)構(gòu)控制可分為：被動結(jié)構(gòu)控制、主動結(jié)構(gòu)控制、混合結(jié)構(gòu)控制、半主動結(jié)構(gòu)控制。除被動控制外，其他三種控制方式中的控制力全部或部分地根據(jù)反饋信號按照某種事先設(shè)計的控制律實時產(chǎn)生。主動結(jié)構(gòu)控制效果較好，對環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)力，但完全依賴外部能源，閉環(huán)穩(wěn)定性比其他方式差。在被動控制中，控制力不是由反饋產(chǎn)生的。其主要優(yōu)點是；成本低、不消耗外部能量、不會影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；缺點是：對環(huán)境變化的適應(yīng)力與控制效果不如其他方案?；旌峡刂剖侵赣弥鲃涌刂苼硌a(bǔ)充和改善被動控制性能的方案。由于混合了被動控制，因此減小了全主動控制方案中對能量的要求。半主動控制中通常包含某種對能量需求很低的可控設(shè)備，如可變節(jié)流孔阻尼器等作用時所需的外部能量通常比主動控制小得多。因此初步研究表明混合控制與半主動控制的性能大大優(yōu)于被動控制，甚至可達(dá)到或超過主動控制的性能，并在穩(wěn)定性與適用性方面要優(yōu)于后者，因此成為當(dāng)前研究的一個熱點。

（二）按結(jié)構(gòu)特性劃分

從被控結(jié)構(gòu)的特性劃分，結(jié)構(gòu)控制可分為柔性結(jié)構(gòu)控制與剛性結(jié)構(gòu)控制。其中柔性結(jié)構(gòu)包括大型柔性空間結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁等；剛性結(jié)構(gòu)則包括武器系統(tǒng)中穩(wěn)定平臺、車輛懸掛系統(tǒng)、多剛體機(jī)器人等。對于兩類結(jié)構(gòu)控制所用的主動控制設(shè)備也不相同，如在柔性結(jié)構(gòu)控制中傳感器與執(zhí)行器常用的智能材料是分布智能材料，如壓電材料；而剛性結(jié)構(gòu)控制中傳感器與執(zhí)行器常用的智能材料是電智能材料，如磁致伸縮材料。

（三）按控制效果要求劃分

精度要求是根據(jù)不同的應(yīng)用而定的。不同的指標(biāo)決定了不同的控制。如穩(wěn)定平臺，控制目的是消除振動，使平臺系統(tǒng)盡可能保持穩(wěn)定，而在土木結(jié)構(gòu)中，控制目的是減少振動和保證安全，并不要求完全消除振動。

在高精度應(yīng)用中常采用精密的智能結(jié)構(gòu)，如Stewark六自由度穩(wěn)定平臺，采用T erlenol_D材料，在尺寸與重量方而都較小，在控制器設(shè)計時常采取比較復(fù)雜的控制策略，以求達(dá)到高的控制效果，比如微米級或納米級精度，而相對地，對控制能量要求不大。相反在一些低精度結(jié)構(gòu)控制中由于被控結(jié)構(gòu)特點往往超大尺寸，超大重量，如高層建筑，控制律則要相對簡單，高可靠性，低控制能量。

二、振動控制發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)控制時是否需要外加能源，結(jié)構(gòu)振動控制可分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制。近20年來，被動控制、主動控制和半主動控制已成為結(jié)構(gòu)振動控制的主要方法。其中被動控制的發(fā)展相對成熟，主動控制、混合控制和半主動控制仍處于研究階段。

（一）被動控制

1、基礎(chǔ)隔震

基礎(chǔ)隔震是通過減隔震裝置延長整個結(jié)構(gòu)體系的自振周期，減小輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期防震的要求。基礎(chǔ)隔震是一種有效的工程抗震新技術(shù)，地震時能保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)物和內(nèi)部設(shè)備、設(shè)施安全。

2、消能減震

消能減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能裝置，通過其局部變形提供附加阻尼，以消耗輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期設(shè)防要求。

3、被動調(diào)諧減振

被動調(diào)諧減振控制系統(tǒng)是由結(jié)構(gòu)和附加在主結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)組成。附加的子結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量、剛度和阻力，因而可以調(diào)節(jié)子結(jié)構(gòu)的自振頻率，使其盡量接近主結(jié)構(gòu)的基本頻率或激振頻率，這樣當(dāng)主結(jié)構(gòu)受激振而振動時，子結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生一個與主結(jié)構(gòu)振動方向相反的慣性力作用在主結(jié)構(gòu)上，使主結(jié)構(gòu)的反應(yīng)衰減并受到控制。

（二）主動控制

振動主動控制是需要外界提供能源實現(xiàn)振動控制的一種方法，對振動主動控制的研究始于20世紀(jì)50年代末，隨后得到了迅速發(fā)展，取得了豐富的理論研究成果，并成功應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)振動控制、土木工程結(jié)構(gòu)抗震、高速車輛隔振及其它機(jī)械設(shè)備振動控制中。

（三）半主動控制

半主動控制為少量外加能源的控制，其控制力雖也由控制裝置自身的運(yùn)動而被動的產(chǎn)生，但在控制過程中控制裝置可以利用外加能源主動調(diào)整自身的參數(shù)。從而起到調(diào)節(jié)控制力的作用。

（四）混合控制

混合控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上同時施加主動和被動控制，作為整體分析其響應(yīng)，以克服純被動控制的應(yīng)用局限，減小控制力同時減小外部控制設(shè)備的功率、體積、能源和維護(hù)費用，增加系統(tǒng)的可靠性。將主動控制和被動控制聯(lián)合應(yīng)用，可以充分發(fā)揮兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點，克服各自的缺點，只需很小的能量輸入即可達(dá)到較好的控制效果。

三、結(jié)構(gòu)振動控制發(fā)展趨勢及展望

近年來結(jié)構(gòu)的抗震、減振設(shè)計概念經(jīng)歷了很大的飛躍，受到了許多領(lǐng)域的專家和學(xué)者的高度關(guān)注，由被動控制到主動控制，由主動控制到半主動控制和混合控制，進(jìn)一步向智能化的方向發(fā)展，研究對象也從以前的理想狀態(tài)向?qū)嶋H結(jié)構(gòu)靠近、非線性模型、滯后效應(yīng)、不確定性因素都逐漸被考慮在內(nèi)。雖然在理論上和實際應(yīng)用上已經(jīng)取得了不少新的成就，但仍存在許多問題有待深入探討研究：

1、結(jié)構(gòu)控制設(shè)計研發(fā)尋求耗能少、造價低、構(gòu)造簡單、施工方便、可靠性大的被動控制和主動控制系統(tǒng)控制裝置；

2、被動控制裝置系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)較為成熟同時在實際工程中已經(jīng)取得了應(yīng)用效果，應(yīng)將其進(jìn)行系統(tǒng)整理，使其逐步實用化、規(guī)范化，以推動其在工程實踐中的廣泛應(yīng)用；

3、建立研究結(jié)構(gòu)延性耗能構(gòu)件的力學(xué)模型，通過確定延性耗能構(gòu)件的強(qiáng)度、耗能指標(biāo)、受力特性、截面特征、配筋方式及數(shù)量等參數(shù)的定量關(guān)系，進(jìn)而對附有延性耗能構(gòu)件的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究出含有新型合理控制裝置的結(jié)構(gòu)體系；

4、加強(qiáng)關(guān)于混合控制和半主動控制裝置的試驗研究及工程試點建筑研究，理論分析的試驗結(jié)果有時會與實際情況存在較大誤差，通過試點建筑研究可以檢驗和保證控制裝置的可靠性及實際控制效果，以期達(dá)到實用化要求；

5、關(guān)于半主動控制和主動控制裝置的實驗研究以及作動器、傳感器的數(shù)量、位置和控制參數(shù)的優(yōu)化研究，達(dá)到結(jié)構(gòu)振動控制的最理想效果，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制“智能化”的要求。

四、結(jié)語

綜上所述，一定要加大對建筑工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)的研究，從而能夠不斷滿足社會的發(fā)展要求。同時，對于當(dāng)前的結(jié)構(gòu)振動控制而言，一定要加大對穩(wěn)定性高、能耗少、造價低的控制裝置進(jìn)行研究，從而能夠推動結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)在相關(guān)的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

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