土木工程结构减震控制技术研究

辛石磊

（临沂矿业集团有限公司设计院，山东 临沂 276017）

传统土木工程中的结构减震具有一定的被动性和消极性。相对于传统土木工程中的结构减震技术来说，结构减震控制作为一门新兴技术，旨在通过相应的控制方法减轻和抑制结构在强风、地震等动荷载作用下的动力响应，提高结构的动力稳定性，以满足结构的适用性和安全性要求，对于建筑物质量的提升有着立竿见影的效果。由此可见，研究土木工程结构的减震控制技术具有十分重要的现实意义。

1 结构减震控制技术概述

土木工程建设中，结构减震控制技术可以对由地震所形成的震动进行全面建筑结构的隔离。土木工程中的抗震体系通常设置在工程结构的底部和地基的顶部之间，以方便上部结构和地基的有效分离。依托隔离系统对地震波形成的向上冲击力予以隔离，可以延长工程结构的基本周期，进一步减少建筑物的地震反应；隔离系统还能分担地震所产生的能量，进而达到减震的目的。根据地震反应谱，加速度反应谱与周期呈负相关。底层建筑的刚度通常很大，所以周期变短，在发声振动过程中，获得的加速度非常大，通过应用相关手段可以延长工程结构的基本自震周期，使工程结构基频维持在地震引发高能量频段之外，依托该技术可以有效降低建筑物的传递加速度。

2 现代土木工程中结构减震控制的主要方法

2.1 被动控制方法

被动控制方法由于其优良特性得到了广泛的应用。被动控制主要包括基础隔震系统、耗能减震体系及协调减震体系三种类型，其中基础隔震系统的核心是研制性能优良、价格低廉的隔震装置。早在20世纪70年代末，研究人员就提出了一种隔震叠层橡胶轴承的方法，自问世以来，发展迅速，结构基础隔震也进入了黄金发展时代。在接下来的发展中，研究人员相继开发出了许多应用广泛的隔震装置，如叠层橡胶垫隔震装置、粉末垫层隔震装置、底座滑动隔震装置、铅滞后减震器隔震装置、钢滞后减震器隔震装置、悬架底座隔震装置、混合隔震装置等。从全球范围来看，数以万计的独立建筑和桥梁已经建成。这些工程在实际地震经验中均表现出良好的减震效果。

2.2 主动控制方法

与被动控制不同的是，主动控制是基于现代化的控制理论，结构的主动控制是利用外部的能源将震动过程中造成的作用力降低，可以防止震动过程中给建筑物结构造成的影响。与被动控制方法相比，主动控制方法有着更好的控制力和更加精确的结构模型。主动控制方法是通过作动器来控制结构，能够抑制结构的动力反应，有效降低这些反应的强度。主动控制包括两种类型，一种是闭环控制，另一种是开环控制。其研究方向也有两个，一个是主动控制装置的应用与开发，另一个是对主动控制算法的运用和处理。由于主动控制方法是以现代化的控制理论为指导基础，然后根据土木工程实际的进行情况进行相应的处理，因此在土木工程施工中得到了广泛的应用。但目前主动控制方法主要的研究方法是根据所得到的数据以及现有的理论来对模型进行分析，在某些特定的情况下存在着一定的限制性。目前，对主动控制方法的限制主要包括以下四个方面：（1）在地震中主动控制系统的运作问题。例如，日本的高层建筑都采用了AMD以及HMD的原理，在风振和环境振动过程中确保了系统的正常运行，并且有很好的效果，但是在大地震过程中，未能达到很好的效果。（2）时间滞后问题。由于主动控制方法是以现代化的控制理论为指导基础的，在应用时往往会在信号的运算和处理等方面需要消耗一定的时间，因此出现了时间的滞后问题。主动控制方法的时间滞后问题，暂时没有有效的解决办法。目前，有人提出了通过补偿的方法来缓解时间滞后的问题，有待进一步研究。（3）能量问题。主动控制系统的运行主要依赖于外部能量的输入，如何保证地震时能量的相对可靠成为结构减震控制技术领域土木工程施工中需要考虑的关键问题。（4）设备维护。除上述问题外，设备维修也是主要问题之一。目前，我国大型土木工程施工中，大跨度桥梁的使用寿命一般为几十年，有的甚至几百年，在此期间，主动控制系统必须保持完整的功能。如何保证系统的完善，特别是作为核心部件的计算机，如何保证其在长期运行下的性能和稳定性，已成为需要解决的问题之一。

2.3 半主动控制方法

在控制方法中，不只包括主动控制和被动控制，还包括半主动控制方法。此法与主动控制和被动控制在能量的输入上有些许差别，可以在施加少量外部能量和不施加加外部能量的情况下进行控制，同时对于整个结构动力的控制而言，可以利用调节参数来进行。与前两种方法相比，半主动控制的可靠性与被动控制相当，适应性与主动控制相当，具备两者的共同优势，而且在造价上也存在很大优势。综合来看，半主动控制方法在今后有着极大的发展前景。早在19世纪末，日本就曾将半主动控制系统用于地震的减震工作中，并且获得了较好的减震效果。

大量实践证明，半主动控制系统不仅结合了主动控制系统和被动控制系统的优点，还可以根据外界环境状态以及自身结构状态来进行控制工作，相对于主动控制系统在地震时由于能量来源切断而无法进行控制工作而言，半主动控制系统进行控制工作所需要的能量是很低的，可以直接通过电池来供给。而且，对于半主动控制系统而言，其所对应的设施要求较为可靠，日常运营维护成本也很低。从某种程度上可以说，半主动控制系统是目前而言最有效的土木工程减震方法。

3 技术保障措施

3.1 施工原材料质量控制

原材料的质量决定了工程的质量，因此在施工前必须管控好原材料的质量，防止在施工时或施工完成后出现问题。在选择原材料时，应根据实际情况选择符合工程要求的材料，不要选择不合理的材料。施工场地的原材料需要有专人查看，以防止材料质量的损坏。审查原材料时，需要从各个方面严格进行，防止施工中使用不合格材料，影响施工质量。

3.2 施工作业人员管理

人员作为土木工程施工质量控制的重要载体。施工企业应加大对施工和管理人员的培训力度，使已建立的规范、标准和技术在人员之间得到整合。此外，还要制定科学有效的奖惩制度，提高施工人员的积极性，然后把更多有效的技术措施投入实际生产建设中。这样可以控制施工过程中的质量问题，从而提高土木工程施工的整体质量。

3.3 施工质量控制

土木工程包括摊铺、碾压和接缝等环节，在各个环节都要进行严格的技术管理。在摊铺时，由于其要求的特殊性，必须有专业人员指挥工作，防止施工材料不合规格。在进行碾压工作时，要严格控制碾压路径、碾压次数和速度，从而使桥梁的压实效果达到最大化。在土木工程施工过程中，只有严格对每项施工工程都进行安全检查，统筹协调各工序之间的关系，同时严格进行工程的评定工作，才能保障施工质量。

4 结束语

近年来，随着越来越多的企业开始重视土木工程中的结构减震控制技术，使得结构减震控制技术得到了广泛应用与长足发展。结构减震控制技术的使用门槛越来越低，这为技术的进一步普及打下了良好的基础。由于结构减震技术在土木工程中的应用使得建筑物的安全性和适用性能够大幅度提升，因此在我国日后的土木工程施工中应进一步加大对该技术的重视程度，大力发展并深入研究其应用要点，进而推动我国建筑行业整体向前发展。