土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展

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(dòng)現(xiàn)象比比皆是，笛子通過(guò)空氣振動(dòng)，發(fā)出美妙的音樂(lè)。醫(yī)學(xué)上核磁共振能夠檢測(cè)身體狀況；工程應(yīng)用上也能夠通過(guò)合理利用振動(dòng)來(lái)夯實(shí)基礎(chǔ)。但并非所有的振動(dòng)效應(yīng)都有助于人類(lèi)生活，相反有些振動(dòng)并不利于人類(lèi)生活所需，從而就有了控制振動(dòng)的技術(shù)，以減少振動(dòng)的有害影響。

振動(dòng)控制技術(shù)由來(lái)已久，早在2000年前，我國(guó)智慧人民就成功將“以柔克剛，隔振消能”的振動(dòng)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(dòng)控制技術(shù)提供了優(yōu)良的經(jīng)驗(yàn)，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(dòng)控制技術(shù)一直不斷完善，從近代開(kāi)始，土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dòng)控制技術(shù)體系?；诖?，對(duì)上述技術(shù)發(fā)展進(jìn)程及成果進(jìn)行研究，對(duì)于我國(guó)土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)實(shí)用性的進(jìn)一步提升具有非常重要的意義。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制概念首次提出于1960年，首次在土木工程中應(yīng)用的時(shí)間為1972年，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論已經(jīng)趨于成熟。2017年，我國(guó)學(xué)者竇超經(jīng)《祖國(guó)》形式將以結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的多樣化工程結(jié)構(gòu)確定性或隨機(jī)性的振動(dòng)問(wèn)題提出了研究成果、并將今后一段時(shí)間內(nèi)的變化更新方向信息公諸于眾，在改變文章中對(duì)振動(dòng)控制理論概念進(jìn)行了進(jìn)一步總結(jié)[1]。他提出：以往的土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制主要是利用電磁、機(jī)械、液壓等裝置，來(lái)阻止土木工程結(jié)構(gòu)中有害振動(dòng)的理論、方法。相較于傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)而言，結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dòng)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(dá)到控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的，保證主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿(mǎn)足在地震作用無(wú)法確定的情況下，提高土木工程結(jié)構(gòu)實(shí)用性能，達(dá)到安全性能的要求。

2 技術(shù)類(lèi)別發(fā)展研究

2.1 主動(dòng)控制(含半主動(dòng)控制)

主動(dòng)控制技術(shù)的另外一種稱(chēng)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(qiáng)調(diào)在監(jiān)控測(cè)度較小模塊搭配而成的整體體系中，運(yùn)動(dòng)式轉(zhuǎn)變狀態(tài)的同時(shí)，經(jīng)伺服反饋管控裝置，對(duì)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(cuò)糾正力量[2]，以達(dá)到主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。主動(dòng)控制主要包括控制力型、參數(shù)控制型、智能控制這三類(lèi)。

2.1.1 控制力型

對(duì)于控制力型而言，在實(shí)施階段需要以土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向?yàn)闃颖?，朝著與樣本迥然不同的方向進(jìn)行一個(gè)控制力量的施加，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制。關(guān)于控制力型的主動(dòng)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(dòng)控制理論和實(shí)踐的研究，現(xiàn)如今已形成了包括脈沖發(fā)生器、主動(dòng)支撐系統(tǒng)、主動(dòng)拉索系統(tǒng)、主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)在內(nèi)的技術(shù)體系，基于此，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的應(yīng)用也在逐漸完善。近幾年，越來(lái)越多的學(xué)者將視線轉(zhuǎn)移到了土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制的實(shí)踐優(yōu)化上。比如，2019年，部分學(xué)者公諸于眾的文章中進(jìn)一步討論了基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的大傾角塔柱結(jié)構(gòu)確定性或隨機(jī)性振動(dòng)工藝實(shí)施要點(diǎn)，初步保障了塔柱工藝作業(yè)開(kāi)展處于無(wú)顯著確定性或隨機(jī)性振動(dòng)的狀態(tài)。

2.1.2 參數(shù)控制型

主動(dòng)控制中，參數(shù)控制又可稱(chēng)之為結(jié)構(gòu)性能可變型，通過(guò)調(diào)節(jié)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)控制振動(dòng)效應(yīng)，在土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dòng)周期、調(diào)節(jié)控制器參數(shù)、增加阻尼，達(dá)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(lèi)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(duì)當(dāng)前普通隔振支座中，存在著隔振減振效果不佳的問(wèn)題，并針對(duì)此文題，提出了一種以往尚未提出的組合系統(tǒng)振動(dòng)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(jìn)行了振動(dòng)力恢復(fù)模型構(gòu)建，完善了前期相同或相近專(zhuān)業(yè)研究個(gè)體或群體均沒(méi)有發(fā)表的意見(jiàn)。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(kāi)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(dòng)力影響下，受控土木結(jié)構(gòu)層會(huì)發(fā)生相對(duì)位置的連續(xù)變動(dòng)。這種情況下通過(guò)調(diào)節(jié)電磁閥開(kāi)關(guān)就可以由活塞帶動(dòng)液壓缸內(nèi)油自由流動(dòng)，維持結(jié)構(gòu)層剛度一定。

2020年，高海昌、梅志遠(yuǎn)、楊國(guó)威等經(jīng)《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》刊物將《夾層結(jié)構(gòu)主動(dòng)溫控變阻尼振動(dòng)控制技術(shù)》文章公之于眾?？镏幸酝苿?dòng)夾層結(jié)構(gòu)抑制振動(dòng)需求向更高水平發(fā)展為主旨，探究了基于主動(dòng)溫控變阻尼的土木夾層結(jié)構(gòu)確定性或隨機(jī)性振動(dòng)工藝控制手段。該項(xiàng)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(guò)程中，轉(zhuǎn)化周邊振動(dòng)響應(yīng)幅度，達(dá)到有效的土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dòng)控制理論與人工智能結(jié)合的技術(shù)，其源于我國(guó)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(qiáng)的現(xiàn)狀，但目前還處于初步試驗(yàn)階段，需要更加配備強(qiáng)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(kāi)始將智能控制理念應(yīng)用于振動(dòng)控制實(shí)踐。比如，2017年，部分學(xué)者在公之于眾的研究過(guò)程中，基于磁流變液對(duì)雜質(zhì)污染不敏感、存在磁流變效應(yīng)、相對(duì)工作溫度范圍變化大、電壓相對(duì)小的特征情況下，分析了流動(dòng)模式、擠壓模式、混合模式、剪切模式對(duì)智能控制效果的影響，并明確提出采用流動(dòng)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(dòng)效應(yīng)[3]。為智能控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)提供新的實(shí)踐，并積累了智能控制對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

2.2 被動(dòng)控制

被動(dòng)控制又可稱(chēng)之為無(wú)源控制，其不需要監(jiān)測(cè)體系運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且沒(méi)有外界能源的支撐。通過(guò)自身的反饋系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的要求，被動(dòng)控制主要包括耗能吸能減振、基礎(chǔ)隔振這兩大類(lèi)。

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(jìn)行吸振器、阻尼器的恰當(dāng)設(shè)置，利用相關(guān)裝置達(dá)到耗散、吸收結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量的作用。在現(xiàn)實(shí)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(kāi)始應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制。比如，美國(guó)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(dòng)反應(yīng)。而2020年，國(guó)內(nèi)行業(yè)研究人員徐滿(mǎn)清，鹿守山，盛國(guó)君也選擇《南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)》刊物將相關(guān)研究成果公之于眾[4]，更進(jìn)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(shí)工程實(shí)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(tái)上的儲(chǔ)液罐，從上世紀(jì)80年代開(kāi)始引入到地面，并逐漸在土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(kāi)始合作研究，并選擇《內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)》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?xún)?chǔ)液箱為承載單元，來(lái)減緩高層建筑結(jié)構(gòu)左右微小的運(yùn)動(dòng)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(jìn)行隔振裝置的設(shè)置，達(dá)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?shī)A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(gè)鮮明的觀點(diǎn)：夾層橡膠墊隔振概念不存在組成結(jié)構(gòu)紛繁性的問(wèn)題，其建造資金無(wú)額外缺失點(diǎn)、運(yùn)行過(guò)程無(wú)不確定沖擊因子等優(yōu)良特點(diǎn)決定了其大面積應(yīng)用價(jià)值。

2.3 混合控制

混合控制就是將主動(dòng)控制、被動(dòng)控制聯(lián)合之后的技術(shù)，不僅可以發(fā)揮被動(dòng)控制系統(tǒng)在振動(dòng)能量耗散方面的優(yōu)勢(shì)，而且還可以利用主動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)良作用，更加有效地對(duì)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(dòng)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(dòng)控制的實(shí)例，并且在結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dòng)臺(tái)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(yàn)證了后者極高的推廣價(jià)值。

從類(lèi)別劃分上來(lái)看，除主動(dòng)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(dòng)混合控制還包括耗能吸能減振+主動(dòng)溫控變阻尼、質(zhì)量雙調(diào)諧阻尼器、主動(dòng)溫控系統(tǒng)+基礎(chǔ)隔振系統(tǒng)幾種類(lèi)別。比如，2017年，部分學(xué)者類(lèi)推了研究樣本的減振核算公式，并對(duì)具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了歸納。在這個(gè)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(kāi)展了自由振動(dòng)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：液體質(zhì)量雙調(diào)諧振動(dòng)器具有較大的可行性、并能夠準(zhǔn)確減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)效應(yīng)，且設(shè)計(jì)過(guò)程較為簡(jiǎn)便，可以滿(mǎn)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(gè)較小的數(shù)值，在交通工具、地震、風(fēng)等外界激勵(lì)下極易出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，勢(shì)必需要嚴(yán)格控制振動(dòng)影響，防控因結(jié)構(gòu)振動(dòng)而引發(fā)的行人、行車(chē)不適感或者結(jié)構(gòu)疲勞破壞、動(dòng)力失穩(wěn)問(wèn)題，甚至較少橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。近幾年，越來(lái)越多的學(xué)者結(jié)合大跨徑橋梁工程實(shí)際情況，研究了新型振動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了現(xiàn)有土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(bào)》，成果展現(xiàn)核心論點(diǎn)為地震激勵(lì)的行波效應(yīng)以及局部場(chǎng)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(dòng)、被動(dòng)、混合控制幾個(gè)類(lèi)別。常用的主動(dòng)控制技術(shù)包括控制力型、結(jié)構(gòu)性能可變型(含半主動(dòng)控制)；常用的被動(dòng)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(dòng)控制+被動(dòng)控制的不同組合形式。

經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者長(zhǎng)時(shí)間堅(jiān)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(jìn)程中，這項(xiàng)技術(shù)中的被動(dòng)控制有望憑借已開(kāi)展的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)更加實(shí)用化、科學(xué)化、規(guī)范化，而半主動(dòng)控制、混合控制技術(shù)的試驗(yàn)試點(diǎn)范圍有望進(jìn)一步拓展，逐步邁向?qū)嵱没M(jìn)程。