土木工程结构振动控制技术的发展

吕凌霄

摘 要：近年來，随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的日益提高，同时也带动了我国土木工程的快速发展，而在土木工程结构中振动控制技术中传统的抗震结构体系是通过加强结构本身的性能从而达到“抗御”地震的目的，但这种方法的作用与安全性相对是较低的，因为人们对结构未来可能遭遇的地震动的强度和特性还不能够准确地进行估算，并且根据传统方法设计的结构其抗震性能也不具备自我控制和自我调节的能力，所以在这种不确定性的地震作用下，结构的安全性能不能得到充分的保障，最后产生倒塌或遭到严重破坏，造成人员伤亡与巨大的经济损失。

关键词：土木工程；震动控制；发展

前言

紧跟着社会的不断进步，土木工程也得到一定的发展。同时，紧跟着科学技术的快速发展，人类抗灾的能力也越来越高。但是，依旧需要引进先进的技术，不断对设备进行创新，因为传统的防震技术的作用不大，会对人们的生命安全产生一定的威胁。当发生地震的时候，结构不能支持的时候就会产生十分严重的破坏。为此，一定要重视土木工程结构振动控制技术的不断优化创新。

一、被动控制

被动控制是一种不需要外部能源的结构控制技术，一般是指在结构的某个部位附加一个子系统，或对结构自身的某些构件做构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制因其构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持等优点而引起了广泛的关注，并成为目前应用开发的热点，许多被动控制技术已日趋成熟，并已在实际工程中得到应用。

二、主动控制

主动控制是一种需要外部能源的结构控制技术，它是通过施加与振动方向相反的控制力来实现结构控制的，其工作原理如下：传感器监测结构的动力响应和外部激励，将监测的信息送入计算机内，计算机根据给定的算法给出应施加的力的大小，最后，由外部能源驱动，控制系统产生所需的力。如果传感器仅测量结构响应的信号，称控制系统为闭环控制；如果传感器仅测量外部激励的信号，称控制系统为开环控制；如果传感器同时测量结构响应和外部激励的信号，则称控制系统为闭-开环控制。主动控制可分为控制力型和结构性能可变型（半主动控制）两类。

2.1 控制力型

它的特点是采用能检测结构及外干扰振动的传感器，将传感器获得的信号作为控制振动的控制信号，通过作动器随时向结构施加控制力，以便及时控制结构的动力反应。控制装置大体上由仪器测量系统（传感器）、控制系统（计算机）、动力驱动系统（作动器）等组成。目前研究开发的控制力型主动控制装置主要有：主动质量阻尼系统、主动拉索系统、主动支撑系统、主动空气动力挡风板系统、气体脉冲发生器系统等。

2.2 结构性能可变型（半主动控制）

它是利用控制机构来主动调节结构内部的参数，使结构参数处于最优状态，所需的外部能量比控制力型小得多。比起控制力型主动控制，结构性能可变型主动控制更容易实施而且也更为经济，而控制效果又与前者相近，因此结构性能可变型主动控制目前具有更大的研究和应用价值。结构性能可变型主动控制往往采用开关控制或称为”0-1”控制，通过开关改变控制器的工作状态，从而改变结构的动力特性。目前，较为典型的结构性能可变型主动控制装置有：可变刚度系统、可变阻尼系统、主动调谐参数质量阻尼系统、可控（电流变或磁流变）液体阻尼器、可控摩擦式隔振系统等。

三、混合控制

混合控制是主动控制和被动控制的联合应用，使其协调起来共同工作。这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量，又可以利用主动控制系统来保证控制效果，比单纯的主动控制能节省大量的能量，因此有着良好的工程应用价值。

四、有待研究的控制问题

结构控制这一课题，近年来，受到了多个领域的学者与专家的高度重视，越来越多的控制专家投身于该研究中，在理论上取得了不少新结果，在应用上成功的例子也很多，但仍有一些问题有待进一步深入探讨。

3.1 从控制器设计角度的建模与模型简化

由于结构系统维数高，含有未建模动态特性及参数不确定性等，研究面向低阶鲁棒控制器设计的辨识方法及模型简化技术等问题是具有实际意义的，同时对于含智能材料的结构，由于材料的强非线性，对材料与结构间的非线性相互作用的辨识也需进一步研究。

3.2 结构控制中的非线性控制

研究带有滞回环及饱和的非线性控制问题，这类问题本身在控制界有着广泛的兴趣，另外智能控制如模糊控制等在非线性结构控制中会有很好的应用前景，也值得深入探讨。

3.3 结构控制中的混合控制

不同类型的控制算法集成的研究即混合（hybrid）控制方式目前是控制界极受关注的问题，在结构控制中研究主动与被动控制间的最优混合，是具有实际意义的方向.此外，利用一些主动控制算法进行结构设计参数的优化问题也值得进一步研究。

五、结构振动控制技术的展望

我国改革开放以来，土木工程结构控制技术得到了飞速发展，就目前形势来看，之后的很长一段时间里，被动控制技术的实用化与规范化将会是结构控制技术的发展趋势。对耗能吸能减振、基础隔振等，进行系统处理，并编入新制订的结构设计规范中，这样做有利于推进其在工程实践中的应用广泛，使土木工程结构控制技术渐渐的趋于实用化与规范化，将试点工程的研究、混合控制技术、半主动控制的实验研究进行有效加强。虽然当今结构控制技术在土木工程中还没有得到广泛的应用，但由于其自身所拥有的优势已经非常明显，所以其良好的应用前景是毋须置疑的。

结束语

综上所述，结构振动控制的发展与其巨大的经济效益和社会效益已初步得到证明。当前结构控制技术的应用开发仍然存在一些有待进一步研究的问题有各种耗能少、造价低、稳定可靠且施工简便的控制装置的研制开发及推广应用；基于随机振动理论的结构时变、非线性控制的研究；主动控制的时滞研究以及传感器、作动器的数目和位置的最优化研究等，这是结构主动控制技术推广应用的关键。但是纵观近几年来土木工程结构振动控制研究与应用已取得长足的进展，因此有理由相信，采用结构控制技术的智能型隔振减振结构将会是不久的将来人们的现实追求。

参考文献

[1]史云峰.论土木工程结构振动控制的研究进展.民营科技，2012，06：16.

[2]崔志红.土木工程结构抗震技术探讨.华章，2011，23：337.