土木工程结构减震方法分析

李涛　陈晓亮

【摘要】文章就土木工程结构减震控制技术作简要的分析，希望对今后相关工程的研究提供借鉴。

【关键词】土木工程：结构减震；原理；控制方法

1、土木工程结构减震方法概述

土木工程通过增强结构的强度及变形能力提高减震性能，增强土木工程的抗震性。其最终目的就是通过采取一系列控制措施和方法，降低建筑结构在地震等强动力荷载下的反应，增强建筑结构的稳定性能，为建筑结构的安全性提供保障。要减小结构的地震响应，需要从动力学角度出发，第一，考虑消震，即不让地震输入结构，从目前现状来看，这种方法较难实现；第二，考虑减小建筑结构的惯性力，通过动力学原理发现，如果结构有着比较大的自振周期，那么它获得的加速度就会相应减小，可通过隔震方法减小结构惯性力；第三，通过在结构上增加阻尼的方法，将一些地震作用转移到阻尼上，降低结构所需负担的地震作用；第四，人为增加构件，用这些构件的塑性变形消耗一部分能量，保护结构的整体性；第五，可考虑在建筑结构上附加一个当自身频率合适时能够使附加质量块的运动方向与结构运动方向相反的系统，从而减小结构震动，达到结构减震的目的。

目前，土木工程结构减震控制方法有五种：被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制及智能控制。其中，被动控制指在结构的某些部件附加耗能装置或子结构系统，或对结构自身的某些构件作构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制不需要外部能量输入提供控制力，控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息。而且因其具有构造简单、造价低、易于维护及无需外部能源支持等诸多优点，所以引起工程界的广泛关注，成为应用开发的热点，因而许多被动技術日趋成熟，并在实际工程中应用。

2、土木工程结构减震方法

2.1被动控制

被动控制是通过减震、隔震装置来对振动能量进行消耗，并阻止振动在建筑结构中进行传播，构造简单，造价成本低，维护简便，且不需要外部能源支持，在土木工程结构减震中的应用越来越广泛。

（1）耗能减震

耗能减震是将结构中的一些构件比如支撑、支撑等设计成耗能部件，或者在建筑结构的某些部位比如连接处、节点处设置阻尼器，耗能部件和阻尼器在荷载作用较小的情况下处于弹性状态，在强烈的荷载作用或振动作用下，耗能部件就会进入非弹性状态，能够大量消耗输入结构的能量，避免荷载或振动作用进入主体结构造成结构进入非弹性状态，为主体结构的安全提供了可靠保障。由于耗能装置不同，耗能减震也可分为不同的体系，一种为耗能构件减震体系，常用的耗能元件有耗能支撑、耗能剪力墙等，另一种为阻尼器耗能减震体系，常用的阻尼器有金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞性阻尼器等。耗能减震具有性能稳定、适用范围广、抗震性好、经济实用、可靠性高、技术条件简单等优点，比较适用于高层建筑和超高层建筑。

（2）基础隔震

基础隔震是在建筑物的上部结构与基础之间设置控制机构，比如设置隔震消能装置，从而减小或者隔离地震能量向建筑物上部结构传输，使上部结构的振动减小，避免地震给建筑物带来危害。基础隔震装置必须具备一定的特性才能够满足结构减震需要，因此，装置必须具有较大的变形能力，必须能够提供较大的阻尼并具有较大的耗能，必须具有足够的初始刚度和强度。比较常见的基础隔震装置有刚滞变阻尼器隔震装置、夹层橡胶垫隔震装置、摩擦隔震装置等。基础隔震对降低结构的自振频率具有非常显著的作用，是发展最早的结构减震方法，其在技术上比较成熟，具有构造简单、性能稳定、耐久性高、经济、减震效果显著的优点，比较适用于刚性结构和中低层建筑。

（3）调谐减震

调谐减震主要是通过在建筑主体结构中附加一些子结构的方法，使主体结构在强震作用下，振动发生转移，结构中的震动能量就能在原结构与附加结构之间得到重新的分配，大大降低了震动对原结构带来的破坏。常用的调谐减震系统有调谐质量阻尼器、模式质量阻尼器、质量泵、调谐液体阻尼器、液压质量振动控制系统等，这些调谐减震系统能够有效减小地震反应。

2.2主动控制

主动控制是主要是以现代控制理论为基础，通过外部能源的有效利用以及对结构反应的实时监测，当结构受到激励振动的时候，计算出控制力，对结构施加控制力或者改变结构的动力特性，迅速将结构的振动反应降到最小，从而使结构在受派动过程中仍然能够保持原始状态，避免结构出现致命性损坏。主动控制主要是由传感器、控制器和作动器三个部分组成的，传感器的功能是对结构遇到振动时的反应情况进行测量，控制器则是对传感器所测量到的信息进行处理，作动器可产生控制力，其所需的能量由外部能源提供。主动控制能够很好的应用现代控制理论和最新研究成果。在主动控制中，作动器的控制力可连续变化，所以其有着极广的控制频率，对外界不同激励具有很强的适应性，能够取得很好的控制效果。常用的主动控制系统装置主要有主动质量阻尼器、主动支撑系统、主动拉锁系统等。

2.3半主动控制

半主动控制是通过少量的外部能源输入提供控制力的，能够通过控制装置实时改变结构的刚度或阻尼等系统的参数，此，半主动控制属于参数控制，控制过程主要依赖于结构反应信息或外干扰信息。半主动控制装置不能同时实现与位移和速度相关的控制力，一般只能够实现与速度有关的控制力。常见的半主动控制系统有主动调谐参数质量阻尼系统、可变阻尼系统、可变刚度系统等，此方法具有装置经济、系统可靠、维护要求较低的优点，己广泛应用于土木工程结构减震中。

2.4混合控制

混合控制是将主动控制和被动控制联合起来应用，即将主动控制和被动控制同时应用于同一建筑结构减震中，可以将主动控制和被动控制两种方法的优点充分发挥出来，弥补了单一控制方法的制约和不足，只需要小功率的能量输入就能直接提供控制力，控制效果非常明显，调谐范围得以扩大，结构抗震系统的稳定性、实用性和安全性大大提升。

2.5智能控制

在土木工程结构减震方法中还有一种叫做智能控制算法，这种方法不依赖精确的结构模型，而且具有很强的学习及调整逼近能力。智能控制方法主要有两种：

1）模糊控制算法。模糊控制主要通过状态输出和控制输入的模糊逻辑关系，即模糊控制规则来实现系统的调节或控制。

2）神经网络控制算法。人工神经网络具有很强的非线性逼近、自学习和自适应、数据融合以及并行分布处理等能力，在多变量、强非线性系统的辨识、建模和控制中有明显的优势和应用前景。另一类结构智能控制是指采用诸如磁（电）流变液体、压电材料、磁（电）致伸缩材料和形状记忆合金等智能驱动器的主动控制或智能阻尼器的半主动控制。

结束语

总之，结构减震控制是一项系统且复杂的技术，在土木工程中应用结构减震控制能够有效提高建筑结构的抗震性能，减小甚至消除地震反应给建筑带来的危害，具有广阔的发展前景。随着结构减震技术的发展，减震控制系统的造价也在不断降低，土木工程减震结构建筑的经济效益将会越来越凸显，未来，结构减震技术和方法必将成为土木工程重要发展和应用趋势。

参考文献：

[1]开兴军，李小军，刘萍.土木工程结构减震控制方法综述[J]工业建筑.2006，43（8）：59-G3.