土木工程结构振动控制技术的发展

张明俊

摘要：随着社会的发展， 人们对建筑结构的性能提出了更高的要求， 如发射塔的抗震要求、高层建筑中居住者的舒适感和抗震安全性的要求等。这些实际需求促进了对建筑结构控制的研究， 其中， 结构振动控制已成为目前结构工程学科中的一个十分活跃的研究领域。

关键词：土木工程;结构振动控制技术;发展

近几年来， 中国工程界非常重视结构控制的研究， 由中、美、日联合举办的结构控制会议每两年举行一次， 来自各国的科学家交流各自的经验成果， 为结构控制学科的进一步发展奠定了基础。

1 结构控制技术起源

早在1950年， 前苏联就在一座100米高、50t重的钢结构电视塔顶安置了4个重250kg的摆锤来减振， 使得该塔的对数衰减率由0.12增加到0.56， 这是最早在电视塔上设置控制装置的实例。由于隔震技术的发展历史比较长， 是目前应用比较广泛且成熟的一项结构控制技术， 已被应用到石油储运和石油化工等领域中。20世纪70年代至今， 随着计算机技术的迅速发展和不断进步， 以及系统工程和系统论的进一步研究， 许多科学家和科技工作者进一步提出了人工智能学说、神经网络、模糊识别与模糊控制论等理论和技术， 使自动化技术的控制理论从现代控制理论转向了以智能控制理论为基础的智能控制理论。国内的这方面研究始于80年代初王光远院士对高耸结构风振控制的评述， 李桂青教授曾在1987年首次提出了“控制结构” 的概念， 得到了国际上的认同。

2 结构控制的发展与应用

2.1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在实际工程中得到应用。被动控制从控制机理上可分为基础隔振和消能减振两大类。

2.2 基础隔振

基础隔振是在上部结构与基础之间设置某种隔振消能装置， 以减小地震能量向上部的传输， 从而达到减小上部结构振动的目的。目前研究开发的基础隔震技术主要有：夹层橡胶垫隔震、摩擦滑移隔震、滚珠及滚轴隔震、支撑式摆动隔震和混合隔震。

在目前国内外已经研究、开发的各种技术中， 夹层橡胶垫隔震技术较为成熟。已大量应用于建筑结构、桥梁、设备等隔震工程中， 成为一项可以广泛推广应用的隔震技术。我国学者早在8O年代初期就开始对夹层橡胶垫隔震技术进行研究， 并于他国联合进行了一系列试验研究。

2.3 消能减振

消能减振技术是在主体结构中附加子结构， 使結构的振动发生位移， 即使结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配， 而达到减小结构振动的目的。目前主要的消能减震装置有： （1） 调谐质量阻尼系统 （TMD） ; （2） 调液质量阻尼器减振系统 （TLD） ; （3） 质量泵; （4） 液压一质量控制系统 （HMS） ; （5） 空气阻尼器。其中， 应用最多的是TMD和TLD。

2.4 主动控制

主动控制是一种需要外部能源 （计算机控制系统或智能材料） 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。目前主动控制有主动拉索系统 （ATS） 、主动支撑系统 （ABS） 、主动可变刚度系统 （AVSS） 、主动质量阻尼系统 （AMD） 、脉冲发生器 （PG） 等。

结构振动的主动控制的研究始于20世纪70年代， 然而真正从理论和实践两方面研究并应用到土木工程结构上， 还只是在1990年左右。1989年日本在京桥成和大厦首次采用了主动质量阻尼器。该建筑从动工到竣工的三年里， 经历了十余次地震， 在地震中， 结构及控制系统的反应均被记录下来， 并被输入计算机进行数字模拟， 模拟结果与实测结果吻合的很好， 证明了所采用的分析方法与结构控制模型的正确性。

2.5 半主动控制

半主动控制是一种新型的控制方法， 根据结构的振动反应或动荷载的信息， 实时改变结构的参数 （如阻尼、刚度等） 来减小结构的反应。半主动控制可分为变刚度和变阻尼两种。

日本学者Kobori等首先提出了一种“主动变刚度系统” （AVS） 。1990年建成了世界上第一幢采用半主动控制的建筑物—东京鹿岛技术研究所大楼。这是一幢三层钢结构的大型振动台实验大楼， 在经受了加速度峰值为0.25的强地震考验之后， 运行正常， 减震效果非常明显。

变阻尼系统由Hrovat首先提出。我国学者先后对半主动控制进行了一定的实验和理论研究。哈尔滨建筑大学的刘季等对一个五层的钢框架建筑结构模型进行了变刚度半主动控制的振动台实验， 进一步验证了变刚度半主动控制的可行性和高效性。此外， 周福霖等将变刚度结构与变阻尼结构结合起来， 提出了主动变刚度/变阻尼的半主控制系统， 综合了两种半主动控制系统的优点。

2.6 混合控制

混和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， 它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量， 又可以利用主动控系统来保证控制效果。混合控制体系能有效抑制结构的振动。一些研究表明混和控制与半主动控制的性能大大优于被动控制， 甚至可达到或超过主动控制的性能， 并在稳定性与适用性方面要优于后者， 因此成为当前研究的一个热点。目前， HMD系统已成功地应用于桥梁的振动控制。

3 结语：

总之， 进行结构控制的目的是为了让建筑物能够抵御自然灾害的袭击， 降低结构在动力荷载 （如地震发生时或者风灾） 作用时的响应， 以最大限度地保障人类生命与财产的安全。因此， 结构控制实质上是一种防灾减灾的手段。结构控制技术的发展经历了一个漫长的过程， 由最初的被动控制、半主动控制、主动控制， 到今天的智能控制。它正向着新的方向发展， 但还需要一代一代科研工作人员的不懈努力。

参考文献：

[1]阳桥.关于土木工程结构振动控制技术的探讨[J].建材与装饰，2019（18）：4-5.

[2]蔡准.关于土木工程结构振动控制技术的探讨[J].价值工程，2015，34（23）：103-105