土木工程結(jié)構(gòu)減震控制研究

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一、現(xiàn)代土木工程中結(jié)構(gòu)減震控制的主要方法

1被動(dòng)控制方法。

所謂的被動(dòng)控制方法，就是不需提供外部能量，而是通過(guò)減震以及隔震裝置來(lái)使得振動(dòng)能量消耗，并且阻止振動(dòng)在結(jié)構(gòu)之中的傳播。這種方法因其具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于維護(hù)以及不需要外界能源支持等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。被動(dòng)控制主要是進(jìn)行基礎(chǔ)隔震和耗能減震。基礎(chǔ)隔震就是在上部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)之間設(shè)置水平柔性層，從而使結(jié)構(gòu)側(cè)向振動(dòng)的基本周期延長(zhǎng)，進(jìn)而減小水平地震地面運(yùn)動(dòng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用。基礎(chǔ)隔震的研究核心是研究開(kāi)發(fā)出性能卓越并且價(jià)格低廉的隔震裝置。早在20世紀(jì)70年代末就提出了疊層橡膠支座隔震的方法，自此技術(shù)之后，開(kāi)啟了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震發(fā)展的黃金時(shí)期。在之后的發(fā)展過(guò)程中，先后開(kāi)發(fā)出一批應(yīng)用廣泛的隔震裝置，比如夾層橡膠墊隔震裝置、鉛塞滯變阻尼器隔震裝置、粉粒墊層隔震裝置、基底滑移隔震裝置、鋼滯變阻尼器隔震裝置、懸掛基礎(chǔ)隔震裝置以及混合隔震裝置等等。在現(xiàn)階段，基礎(chǔ)隔震的使用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，隔震結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)方法也日益成熟。從世界范圍來(lái)看，已經(jīng)有成千上萬(wàn)座隔震建筑以及橋梁建設(shè)完工，這些工程在實(shí)際的地震經(jīng)歷當(dāng)中，都表現(xiàn)出了良好的減震效果。耗能減震則是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能元件，其減震原理是這樣的：在結(jié)構(gòu)振動(dòng)的作用之前，耗能元件可以被動(dòng)地往復(fù)相對(duì)變形或者在耗能元件之間產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度，通過(guò)這個(gè)方式能夠消散結(jié)構(gòu)振動(dòng)的能量，進(jìn)而減輕結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。目前，已經(jīng)研究發(fā)展起來(lái)的耗能裝置通常有金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器、粘滯阻尼器、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器以及復(fù)合型耗能器等等。結(jié)構(gòu)耗能減震從某種程度上來(lái)說(shuō)，是能夠經(jīng)得住地震的考驗(yàn)的。我國(guó)現(xiàn)在就有幾十余座新建或者加固的被動(dòng)耗能減震建筑，例如上海的明珠電視塔和珠海的金山大廈都是采用耗能減震技術(shù)的典范。

2主動(dòng)控制方法。

與被動(dòng)控制相對(duì)應(yīng)的就是主動(dòng)控制，這種控制方法的理論基礎(chǔ)是現(xiàn)代控制理論，在這種理論的指導(dǎo)下對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)或者環(huán)境干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和預(yù)測(cè)，并且在精確的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)之上使用和決策的最優(yōu)控制力。這種控制方法通過(guò)作動(dòng)器來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力，從而減小將會(huì)有效的抑制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。主動(dòng)控制的類(lèi)型有開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。對(duì)主動(dòng)控制的研究主要包括兩個(gè)方面，一是主動(dòng)控制算法的運(yùn)用處理，二是主動(dòng)控制裝置的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制算法依然是使用現(xiàn)代控制理論之中的算法作為依據(jù)，然后根據(jù)土木工程結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)而做出一些特殊的處理。目前，廣泛使用的主動(dòng)控制算法有：經(jīng)典線性主要有最優(yōu)控制法、瞬時(shí)最優(yōu)控制法、隨機(jī)最優(yōu)控制法、極點(diǎn)配置法、預(yù)測(cè)控制法、滑動(dòng)模態(tài)控制法、模糊控制法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的研究主要涉及到控制理論、隨機(jī)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)工程、材料科學(xué)、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、振動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理以及自動(dòng)控制技術(shù)等等，具備一定的綜合性。當(dāng)前，它的研究主要是使用理論分析以及數(shù)據(jù)模擬分析作為主要方法。雖然主動(dòng)控制的研究取得了一定的成就，但是主動(dòng)控制技術(shù)并不完全成熟。從現(xiàn)有研究來(lái)看，主動(dòng)控制技術(shù)在可行性上還存在一定的限制因素。主要集中表現(xiàn)在四個(gè)方面：1）主動(dòng)控制系統(tǒng)在地震之中運(yùn)作的問(wèn)題。日本是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家，在抵御地震侵襲的同時(shí)也積累了很多獨(dú)到的經(jīng)驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)在地震之時(shí)，很大一部分主動(dòng)控制系統(tǒng)因?yàn)楣收隙荒苷＿\(yùn)作；2）時(shí)滯方面的問(wèn)題。主動(dòng)控制系統(tǒng)在工作的時(shí)候，因?yàn)樵谛盘?hào)處理、運(yùn)算、電液伺服等動(dòng)作都需要相應(yīng)的時(shí)間，因此產(chǎn)生了時(shí)間滯后這個(gè)不可避免的問(wèn)題。目前提出了使用通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)使時(shí)滯得到有效的改正；3）能量問(wèn)題。主動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)作主要是依靠外部能源的輸入，而在地震之中確保能源的相對(duì)可靠成為值得思考的關(guān)鍵問(wèn)題；4）設(shè)備維護(hù)的問(wèn)題。通常生命線工程的大跨度橋梁的使用壽命是幾十年，有的甚至要達(dá)到上百年，與此同時(shí)，主動(dòng)控制系統(tǒng)也要在這段時(shí)間之內(nèi)保持功能的完備。如何確保系統(tǒng)的完善，尤其是作為核心構(gòu)件的計(jì)算機(jī)，其使用性能的保障工作成為亟待解決的問(wèn)題之一。

3半主動(dòng)控制方法。

介于被動(dòng)控制和主動(dòng)控制之間，還存在半主動(dòng)控制方法，這種方法主要是使用少量外部能量或者是不需要外部能量，還可以通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)之中結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整來(lái)控制結(jié)構(gòu)動(dòng)力的反應(yīng)。半主動(dòng)控制方法既有被動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)又具備主動(dòng)控制系統(tǒng)的超強(qiáng)適應(yīng)性，而且造價(jià)比較合適，因此在未來(lái)的使用上具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展前途。半主動(dòng)控制主要包括兩種類(lèi)型：主動(dòng)變剛度控制系統(tǒng)和主動(dòng)變阻尼控制系統(tǒng)。主動(dòng)變剛度系統(tǒng)主要是通過(guò)主動(dòng)變剛度控制裝置來(lái)使得受控結(jié)構(gòu)的剛度在每一個(gè)采樣周期之內(nèi)依據(jù)外荷載的頻譜特性而在不同的剛度值之間進(jìn)行切換，這樣則可以使得受控結(jié)構(gòu)在每一采樣周期之內(nèi)都可以遠(yuǎn)離共振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)減振的目的。上世紀(jì)末日本就通過(guò)實(shí)踐證明了半主動(dòng)控制在中小地震中的突出作用，這種控制顯示出了較好的控制效果。主動(dòng)變阻尼控制系統(tǒng)則是通過(guò)控制裝置來(lái)使受控結(jié)構(gòu)的阻尼可以在每一采樣周期之內(nèi)獲得不同的阻尼狀態(tài)之間來(lái)進(jìn)行切換，從而達(dá)到減震的目的。不難看出，半主動(dòng)控制方法結(jié)合了被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)以及主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，可以依據(jù)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)同外界的干擾狀態(tài)來(lái)控制結(jié)構(gòu)。這種控制需要由電池提供的能量來(lái)操作控制設(shè)施，這樣就能夠有效避免主動(dòng)控制在大地震來(lái)臨之時(shí)無(wú)法辦得到能量支持的劣勢(shì)。半自動(dòng)控制需要的控制設(shè)施既經(jīng)濟(jì)又可靠，同時(shí)對(duì)于維護(hù)的要求也不高，綜合以上有點(diǎn)，半主動(dòng)控制成為當(dāng)前世界范圍之內(nèi)廣泛被業(yè)界所接受的土木工程結(jié)構(gòu)減震的控制方法。

二、總結(jié)

綜上所述，現(xiàn)代土木工程中結(jié)構(gòu)的減震控制作為一個(gè)交叉的學(xué)科，仍然還有很多問(wèn)題值得研究和規(guī)范。雖然減震控制技術(shù)在當(dāng)前的土木工程之中并沒(méi)有得到較廣泛的應(yīng)用，但是因?yàn)槠湓谕聊竟こ虘?yīng)用中具備的明顯優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)的建筑中一定會(huì)得到廣泛的接納和發(fā)展，減震控制技術(shù)必將日趨成熟。

作者：趙文芳 單位：秦皇島市永生建設(shè)工程咨詢(xún)有限公司