土木工程结构减震措施探析

黄舜

摘要：文章对结构减震控制技术的内涵特征和方法进行了详细的介绍，并在充分说明土木工程中结构减震控制技术使用情况的基础上，提出了结构减震控制技术发展的建议，以期使人们对该技术有更好的理解。

关键词：土木工程;工程结构;减震控制

引言

传统土木工程中的结构减震主要借助弹塑性设计手段，依托加强结构自身的抗震性能以达到减震的目的，这种方式显然存在一定的被动、消极性特征。结构减震控制作为一门新兴学科，其旨在借助相应的控制手段，缓解及抑制结构在强风、地震等动力荷载下的动力反应，提升结构的动力稳定性，以满足结构的适用性、安全性等要求。由此可见，对土木工程结构减震控制技术开展研究，有着十分重要的现实意义。

1结构减震控制的概念及分类

准确来讲，姚治平是土木工程结构控制概念的创始人，他在1972年写了一篇论文，题目就是“结构控制的概念”，在随后的日子里，他的很多文章也阐述了结构减震控制技术的概念。在姚治平看来，结构减震控制技术使工程安全的维护有了新的一条路。自此，结构减震控制技术清晰了起来。到目前为止，国内外的学者和实践者花了二三十年的时间去研究和实践结构控制的理论、方法，做了许多的实验和工程应用，并取得了大量实打实的研究成果。根据结构减震控制的概念和定义，结构减震控制技术的作用是利用控制机构在结构中的设立，分担外力带给建筑结构的振动影响，使结构的振动反应更小，做到外界干扰很大的状况下，结构的各项反应值都不超过标准。半主动控制、主动控制和被动控制是结构减震控制中的几大分类，该分类以是否要利用外部能源输入为标准。控制力的产生不依靠能源的输入，在进行控制时，不对外界干扰信息和结构反应有过度需求，这种就属于被动控制方法。基础隔震和耗能隔震是被动控制方法的主要内容。隔震技术主要通过改变结构频率实现结构减震，成为结构减震控制技术中研究最深入、应用范围最广和最成熟的部分，在全世界范围内，有很多的隔震建筑已经建成并投入使用，桥梁和地铁工程中也能频频看到隔震技术的身影。

2结构减震控制技术在土木工程中的应用

2.1隔震控制技术的基本原理

无论是主动控制还是被动控制技术中，隔震控制技术都是关键，在具体的土木工程建设中，隔震控制代表由地震所产生的振动对建筑整体结构所带来的隔离保护作用。一般对建筑而言，工程中所设计的防震体系都在工程结构的最底部与基础工程顶面间，它能保证建筑的底部结构与上部结构相互分离，通过这一隔震体系有效隔离地震波所产生的向上冲击力影响，保证整个建筑工程结构最基本的生命周期。也就是说，通过隔震系统分担来自地震所产生的巨大能量，达到减震保护效果。

2.2被动控制在土木工程中的应用

被动控制在土木工程中的应用主要包括三种类型：基础隔震体系、耗能减震体系以及协调减震系统等。其中，基础隔震体系是选取相关隔震消设备安装于上部结构与基础之间，使地震能量向上部的输入实现降低，进而收获上部结构振动降低的成效。基础隔震土木工程中的应用，可显著缩减结构自振频率，适用于短周期的中低层建筑及刚性结构。因为隔震只可对高频地震波发挥作用，所以该项控制技术不适用于高层建筑。对于耗能减震体系而言，耗能剪力墙、耗能支撑等是较为常用的耗能元件，另外，摩擦阻尼器、金属屈服阻尼器及黏弹性阻尼器等则是较为常用的阻尼器。对于协调减震系统而言，应用相对较多的协调减震系统包括有液压质量振动控制系统、调谐质量阻尼器及协调液体阻尼器等。以调谐质量阻尼器为例，其属于一种小型的振动系统，主要由质量块、阻尼器及弹簧等组成。控制结构振动的机制为：调谐质量阻尼器置入原结构体系后，动力性能会出现转变，等到原结构在动力作用下产生距离振动后，因为调谐质量阻尼器质量块产生惯性作用，进而对原结构产生一个反作用力，如此一来，阻尼同样会产生耗能作用。

2.3半主动控制在土木工程中的应用

主动变刚度控制系统和主动变阻尼控制系统是半主动控制在土木工程中频繁出现的内容。主动变阻尼控制系统能够实现在所有的采样周期内，把受控结构的刚度和外荷载频谱特性结合起来，也就实现了能在任意刚度值之间切换的目的，从而在每一采样周期内，受控结构都能够避免陷入共振状态，实现了减震的最终目标，完成这个过程需要用到主动变刚度控制系统。相似的，主动变刚度控制系统可以在所有的采样周期内，任意切换获取的阻尼状态，完成减震目标，在这整个过程中，要用到控制装置。很明显，半主动控制技术糅合了主动控制和被动控制的优点，能够根据外界干扰和结构反应的共同反应，去调节工程结构。还需要提到的是，半主动控制技术操作控制设备的能量是来自于电池输出的能量，这就意味着，半主动控制技术避免了主动控制因地震等原因而无法获取能量的缺陷。种种优势的累积，使得可靠、实惠成为半主动控技术制应用控制设备的最大特点，也令半主动控制成为全世界土木工程结构减震控制技术中最常见的部分。

2.4主动控制在土木工程中的应用

主动控制在土木工程中的应用，主要包括两种类型：开环控制系统、闭环控制系统。对于开环控制系统而言，其是指直接结构以对环境干扰开展检测，结合检测数据分析获取控制率。对于闭环变刚度控制系统而言，其是在结构反应检测基础上有效达成的主动控制。闭环控制有着可靠的抗干扰能力，并且对系统元件精度要求不高，控制成效较为显著，因而得到了广泛推广。然而，即便主动控制研究收获了一定的成果，该项技术依旧不够完备。

3土木工程减震技术中的土木工程结构振动控制问题

土木工程减震技术中对结构振动的控制效果是基于多重因素展开分析的，例如它的结构特性、环境作用或控制算法等等。就以控制算法为例，它就涵盖了对极点的最优配置、模糊逻辑、二次型线性最优水平或对建筑发生地震后的位移速度与加速度变量观测等等。在这些有关土木工程结构振动控制的技术影响下，人们自始至终都希望建立一套统一模型，基于它的控制性能指标来检验、评价控制系统中所存在的不同环境因素，深入探讨环境因素影响下工程结构本身的适用性及有效性问题，所以与结构振动控制体系的相关问题才会被逐一提出并得到发展。

在目前的土木工程减震技术应用与问题研究方面，人们正在从更加实用化的角度深入研究，例如探讨结构控制中有关建模与模型的讲話过程、结构控制系统的工程应用以及弹塑性非线性问题、包括控制系统的稳定性、可行性、耐久性与经济性特征。在这些技术问题研究指引下，土木工程减震技术也正在从结构控制基础技术向新兴控制技术过渡，实现更多层面的自动化、智能化技术应用结合，为人类建筑领域发展提供更多有价值参考。

结束语

现阶段，结构减震技术的理论研究和应用推广在很多国家都有。作为一门技术门槛和科学门槛都不低的应用科学，结构减震技术的应用为各类建筑的抗震做出了巨大的贡献，使建筑物的适用性和安全性都大幅度提高。我国应重视结构减震技术的发展，把握住未来抗震技术的发展方向，进行更加深入的研究，推动其发展，从而推动土木工程建筑的发展。

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