振动控制技术在土木结构工程中的应用

江苏 扬州 225009

正文：

引言

简而言之，结构振动控制的主要原理就是采用合适的控制方式，来减轻振动给结构带来的影响。而结构控制技术在土木工程中发展的时间并不算长。

1 隔震控制技术的基本原理

结构的减震控制主要是指在对建筑进行建设的时候，在建筑中的某一个部位安装一定的控制装置或者种子结构，在结构出现振动的过程中，建筑结构中所安装的控制装置以及种子结构将会对振动力进行控制，以减小结构的振动幅度。从而使建筑结构的稳定性得到有效提高，降低地震给建筑结构带来的破坏，进一步保障建筑内人员的人身安全，由地震反应谱我们了解到，随着周期的不断加大，其加速度的反应谱就会逐渐的缩小，一般低层建筑的刚度是较大的，所以其周期是比较短的，在地震的时候其中的加速度是相对比较大的，所以假如我们采取一个相应的措施加大了其延长结构基本的自振周期，使其远离场地的卓越周期，使得结构的基频始终处于一个地震能量高的频段以外，就可以有效地降低其建筑物的输入加速度[1]。

2 被动控制

2.1 基础隔振

结构基础隔振这个概念最早是在1881年由日本的学者河合浩藏提出的。它主要通过减小地震时向地表传输的能量从而做到减小结构的振动的目的。1924年，日本的鬼头键三郎提出了基础轴承隔振方案。1978年，美国的Kelly提出叠层橡胶支座隔振方案以及实施的技术。而Kelly提出的这种隔振技术的实用性和可行性都是最为成熟的，因此，他的这种隔振方案在现在的工程中是运用最为广泛的。而通过多年对有关隔振以及隔振结构工作性能的定量化经验的研究，经过对隔振方案的筛选和改善，现在普遍认为叠层橡胶垫基础隔振体系是最为可靠和有效的隔振体系。但是基础结构隔振的体系只适应于高频率的地震波，因此这种方式只对中低层的建筑比较有效，不适用于高层建筑。

2.2 耗能吸能减振

（1）金属屈服阻尼器

金属屈服阻尼器是一种用软钢或者其他材质制造而成的阻尼耗能设备。将它应用在建筑结构中，能够有效降低建筑结构的振动幅度，减小结构的地震反应，从而防止地震的振动给建筑带来较大的影响，提高建筑的安全性及稳定性。

（2）摩擦阻尼器

摩擦阻尼器的基本组成是金属（或其它固体材料）元件，这些元件之间能够相互滑动并且产生摩擦力。它对结构进行振动控制的机理是将结构振动的部分能量通过阻尼器中元件之间的摩擦耗能耗散掉，从而使结构的振动反应得到有效降低。摩擦阻尼器源自于上世纪七十年代，经过多年应用后，为了使其能够适用于更多的建筑类型，各相关学者就加强了对新型摩擦阻尼器的研发，如1982年Pall和Marsh提出的十字型 双向摩擦阻尼器（Pall摩擦阻尼器），1990年Aiken和Kelly提出的可复位的Sumitomo单向摩擦阻尼器等。Pall摩擦阻尼器已在加拿大得到应用，Sumitomo摩擦阻尼器在日本也已得到应用[2]。

3 主动控制

3.1 控制力型

主动控制是一种需要额外能量的控制技术。控制力型主要用到结构的传感器和作动器。传感器接收到结构外部的振动，如风荷载、地震等，随后将这些振动信息传递给作动器，而作动器接收到由传感器传递的振动信号后，对结构施加一定的控制力，从而控制结构对外部振动作出的反应并使结构产生的振动快速减小或抑制。

3.2 结构性能可变型

结构性能可变型不完全属于主动控制，它是基于主动控制和被动控制之间而发展起来的一种方法，因此也称为半主动控制。半主动控制是建立在主动控制算法的基础上产生的一种结构振动控制的方法。之所以称之为半主动控制，也是因为其不仅具有主动控制的优点，同时还兼备了被动控制的某些优点。半主动控制相对于主动控制来说，成本较低、质量较轻、控制和操作也较为简单方便，而且不需要消耗大量的外部能量，只需要极少的能量就可以达到控制结构振动的效果。同时它也克服了被动控制对环境变化的适应力较低以及控制效果不佳的缺点。半主动控制只需要从外部获取少量的能量，而不像控制力型那样需要大量的能量就可以达到预期的效果。因此，半主动控制较控制力型来说有着更好的发展空间。在未来，半主动控制也会更多被用在土木工程的行业中。

4 结构振动控制技术发展趋势

4.1 结构控制中的非线性控制

结构控制中的非线性控制是近年来研究的重要方向，较为有效的控制策略有模糊逻辑控制和神经网络控制等。但结构的非线性控制在实际操作中却较为复杂，所以至今仅仅涉及运用反馈线性化策略研究系统的输出调节问题，并且都依赖于被控对象的解析模型，这就使得非线性控制的发展受到了极大的限制。但随着诸多学者的研究和不断完善，以后结构的非线性控制一定会得到快速的发展[3]。

4.2 结构控制中半主动控制与混合控制的融合

半主动控制和混合控制的融合是今后土木工程结构控制的重要发展方向，它具有半主动控制和混合控制的优点，而且克服了两者的缺点，提高了控制系统的可靠性。为了今后能更好的应用这种方法，我们还需要将这种控制方法不断进行提高和完善，这样才能真正广泛地运用到土木工程结构振动控制中去。结构振动控制在高层建筑和高耸结构都有着较为广泛的发展前景，随着我国高层及超高层建筑的发展，并将给半主动控制和混合控制的融合带来越来越广阔的发展空间。

5 结束语

地震是给人们带来灾难最严重的自然灾害之一，因此如何减轻地震带来的灾害受到抗震部门关注的重点，其中土木工程结构振动控制在抗震领域中具有重要意义。在此，笔者根据自己亲身经验对土木工程结构振动控制技术的发展进行整体分析，主要目的是保证土木工程结构的稳固，减少建筑对社会灾害，同时，为人们生活也带来了一定的保障。