土木工程結構減震控制研究
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1被動控制方法。
所謂的被動控制方法，就是不需提供外部能量，而是通過減震以及隔震裝置來使得振動能量消耗，并且阻止振動在結構之中的傳播。這種方法因其具有構造簡單、造價低、易于維護以及不需要外界能源支持等優(yōu)點而被廣泛應用。被動控制主要是進行基礎隔震和耗能減震?；A隔震就是在上部結構以及基礎之間設置水平柔性層，從而使結構側向振動的基本周期延長，進而減小水平地震地面運動對上部結構的作用。基礎隔震的研究核心是研究開發(fā)出性能卓越并且價格低廉的隔震裝置。早在20世紀70年代末就提出了疊層橡膠支座隔震的方法，自此技術之后，開啟了結構基礎隔震發(fā)展的黃金時期。在之后的發(fā)展過程中，先后開發(fā)出一批應用廣泛的隔震裝置，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、懸掛基礎隔震裝置以及混合隔震裝置等等。在現(xiàn)階段，基礎隔震的使用已經(jīng)相當廣泛，隔震結構的分析、設計方法也日益成熟。從世界范圍來看，已經(jīng)有成千上萬座隔震建筑以及橋梁建設完工，這些工程在實際的地震經(jīng)歷當中，都表現(xiàn)出了良好的減震效果。耗能減震則是在結構中設置非結構構件的耗能元件，其減震原理是這樣的：在結構振動的作用之前，耗能元件可以被動地往復相對變形或者在耗能元件之間產(chǎn)生往復運動的相對速度，通過這個方式能夠消散結構振動的能量，進而減輕結構的動力反應。目前，已經(jīng)研究發(fā)展起來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)量阻尼器以及復合型耗能器等等。結構耗能減震從某種程度上來說，是能夠經(jīng)得住地震的考驗的。我國現(xiàn)在就有幾十余座新建或者加固的被動耗能減震建筑，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的典范。
2主動控制方法。
與被動控制相對應的就是主動控制，這種控制方法的理論基礎是現(xiàn)代控制理論，在這種理論的指導下對結構反應或者環(huán)境干擾進行實時跟蹤和預測，并且在精確的結構模型基礎之上使用和決策的最優(yōu)控制力。這種控制方法通過作動器來對結構施加控制力，從而減小將會有效的抑制結構的動力反應。主動控制的類型有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。對主動控制的研究主要包括兩個方面，一是主動控制算法的運用處理，二是主動控制裝置的開發(fā)與應用。結構主動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)土木工程結構自身的特點而做出一些特殊的處理。目前，廣泛使用的主動控制算法有：經(jīng)典線性主要有最優(yōu)控制法、瞬時最優(yōu)控制法、隨機最優(yōu)控制法、極點配置法、預測控制法、滑動模態(tài)控制法、模糊控制法以及神經(jīng)網(wǎng)絡控制法。結構主動控制的研究主要涉及到控制理論、隨機振動、結構工程、材料科學、機械工程、計算機科學、振動測量、數(shù)據(jù)處理以及自動控制技術等等，具備一定的綜合性。當前，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。雖然主動控制的研究取得了一定的成就，但是主動控制技術并不完全成熟。從現(xiàn)有研究來看，主動控制技術在可行性上還存在一定的限制因素。主要集中表現(xiàn)在四個方面：1）主動控制系統(tǒng)在地震之中運作的問題。日本是一個地震多發(fā)的國家，在抵御地震侵襲的同時也積累了很多獨到的經(jīng)驗。他們發(fā)現(xiàn)在地震之時，很大一部分主動控制系統(tǒng)因為故障而不能正常運作；2）時滯方面的問題。主動控制系統(tǒng)在工作的時候，因為在信號處理、運算、電液伺服等動作都需要相應的時間，因此產(chǎn)生了時間滯后這個不可避免的問題。目前提出了使用通過補償?shù)姆椒▉硎箷r滯得到有效的改正；3）能量問題。主動控制系統(tǒng)的運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可靠成為值得思考的關鍵問題；4）設備維護的問題。通常生命線工程的大跨度橋梁的使用壽命是幾十年，有的甚至要達到上百年，與此同時，主動控制系統(tǒng)也要在這段時間之內(nèi)保持功能的完備。如何確保系統(tǒng)的完善，尤其是作為核心構件的計算機，其使用性能的保障工作成為亟待解決的問題之一。
3半主動控制方法。
介于被動控制和主動控制之間，還存在半主動控制方法，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，還可以通過對控制系統(tǒng)之中結構參數(shù)的實時調(diào)整來控制結構動力的反應。半主動控制方法既有被動控制系統(tǒng)的可靠性，同時又具備主動控制系統(tǒng)的超強適應性，而且造價比較合適，因此在未來的使用上具有相當廣闊的發(fā)展前途。半主動控制主要包括兩種類型：主動變剛度控制系統(tǒng)和主動變阻尼控制系統(tǒng)。主動變剛度系統(tǒng)主要是通過主動變剛度控制裝置來使得受控結構的剛度在每一個采樣周期之內(nèi)依據(jù)外荷載的頻譜特性而在不同的剛度值之間進行切換，這樣則可以使得受控結構在每一采樣周期之內(nèi)都可以遠離共振狀態(tài)，實現(xiàn)減振的目的。上世紀末日本就通過實踐證明了半主動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。主動變阻尼控制系統(tǒng)則是通過控制裝置來使受控結構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)之間來進行切換，從而達到減震的目的。不難看出，半主動控制方法結合了被動控制結構以及主動控制結構的優(yōu)點，可以依據(jù)結構的反應同外界的干擾狀態(tài)來控制結構。這種控制需要由電池提供的能量來操作控制設施，這樣就能夠有效避免主動控制在大地震來臨之時無法辦得到能量支持的劣勢。半自動控制需要的控制設施既經(jīng)濟又可靠，同時對于維護的要求也不高，綜合以上有點，半主動控制成為當前世界范圍之內(nèi)廣泛被業(yè)界所接受的土木工程結構減震的控制方法。
二、總結
綜上所述，現(xiàn)代土木工程中結構的減震控制作為一個交叉的學科，仍然還有很多問題值得研究和規(guī)范。雖然減震控制技術在當前的土木工程之中并沒有得到較廣泛的應用，但是因為其在土木工程應用中具備的明顯優(yōu)勢，在未來的建筑中一定會得到廣泛的接納和發(fā)展，減震控制技術必將日趨成熟。
作者：趙文芳 單位：秦皇島市永生建設工程咨詢有限公司
