淺談土木工程結構振動控制技術

江 哲 陳 云

（1、重慶大學，重慶 400045 2、機械工業部第六設計研究院重慶分院，重慶 401120）

結構振動控制技術在機械、宇航、船舶等領域已經得到了廣泛應用，而其在土工工程界引起廣泛興趣則始于1972年美籍華裔學者YaoJ.T.P(姚治平)對結構控制這一概念的首次提出。此后，結構振動控制技術得到了迅速發展，目前已經成為結構工程學科中一個十分活躍的研究領域，被稱為土木工程的高科技領域。結構振動控制技術根據所采取的控制措施是否需要外部能源可分為:被動控制、主動控制和混合控制。以下將分別對這些控制技術予以簡述。

1 被動控制

被動控制是一種不需要外部能源的結構控制技術，一般是指在結構的某個部位附加一個子系統，或對結構自身的某些構件做構造上的處理以改變結構體系的動力特性。被動控制因其構造簡單、造價低、易于維護且無需外部能源支持等優點而引起了廣泛的關注，并成為目前應用開發的熱點，許多被動控制技術已日趨成熟，并已在實際工程中得到應用。被動控制從控制機理上可分為基礎隔振和耗能吸能減振兩大類。

1.1 基礎隔振

基礎隔振是在上部結構與基礎之間設置某種隔振消能裝置，以減小地震能量向上部的傳輸，從而達到減小上部結構振動的目的。基礎隔振能顯著降低結構的自振頻率，適用于短周期的中低層建筑和剛性結構，由于隔振僅對高頻地震波有效，因此對高層建筑不太適用。

1.2 耗能吸能減振

耗能吸能減振裝置主要有:金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器、粘性液體阻尼器、調諧質量阻尼器、調諧液體阻尼器、液壓質量控制系統和質量泵等。

2 主動控制

主動控制是一種需要外部能源的結構控制技術，它是通過施加與振動方向相反的控制力來實現結構控制的，其工作原理如下:傳感器監測結構的動力響應和外部激勵，將監測的信息送入計算機內，計算機根據給定的算法給出應施加的力的大小，最后，由外部能源驅動，控制系統產生所需的力。如果傳感器僅測量結構響應的信號，稱控制系統為閉環控制;如果傳感器僅測量外部激勵的信號，稱控制系統為開環控制;如果傳感器同時測量結構響應和外部激勵的信號，則稱控制系統為閉-開環控制。主動控制可分為控制力型和結構性能可變型 (半主動控制)兩類。

2.1 控制力型

它的特點是采用能檢測結構及外干擾振動的傳感器，將傳感器獲得的信號作為控制振動的控制信號，通過作動器隨時向結構施加控制力，以便及時控制結構的動力反應。控制裝置大體上由儀器測量系統(傳感器)、控制系統(計算機)、動力驅動系統(作動器)等組成。目前研究開發的控制力型主動控制裝置主要有:主動質量阻尼系統、主動拉索系統、主動支撐系統、主動空氣動力擋風板系統、氣體脈沖發生器系統等。

2.2 結構性能可變型(半主動控制)

它是利用控制機構來主動調節結構內部的參數，使結構參數處于最優狀態，所需的外部能量比控制力型小得多。比起控制力型主動控制，結構性能可變型主動控制更容易實施而且也更為經濟，而控制效果又與前者相近，因此結構性能可變型主動控制目前具有更大的研究和應用價值。結構性能可變型主動控制往往采用開關控制或稱為"0-1"控制，通過開關改變控制器的工作狀態，從而改變結構的動力特性。目前，較為典型的結構性能可變型主動控制裝置有:可變剛度系統、可變阻尼系統、主動調諧參數質量阻尼系統、可控(電流變或磁流變)液體阻尼器、可控摩擦式隔振系統等。

3 混合控制

混合控制是主動控制和被動控制的聯合應用，使其協調起來共同工作。這種控制系統充分利用了被動控制與主動控制各自的優點，它既可以通過被動控制系統大量耗散振動能量，又可以利用主動控制系統來保證控制效果，比單純的主動控制能節省大量的能量，因此有著良好的工程應用價值。目前混合控制裝置主要

以下幾種:(1)主動質量阻尼系統(AMD)與調諧質量阻尼系統 (TMD)或調諧液體阻尼系統(TLD)相結合的混合控制;(2)主動控制與阻尼耗能相結合的混合控制;(3)主動控制與基礎隔振相結合的混合控制等。

4 有待研究的控制問題

結構控制這一課題，近年來，受到了多個領域的學者與專家的高度重視，越來越多的控制專家投身于該研究中，在理論上取得了不少新結果，在應用上成功的例子也很多，但仍有一些問題有待進一步深入探討。

4.1 從控制器設計角度的建模與模型簡化

由于結構系統維數高，含有未建模動態特性及參數不確定性等，研究面向低階魯棒控制器設計的辨識方法及模型簡化技術等問題是具有實際意義的，同時對于含智能材料的結構，由于材料的強非線性，對材料與結構間的非線性相互作用的辨識也需進一步研究。

4.2 結構控制中的非線性控制

研究帶有滯回環及飽和的非線性控制問題，這類問題本身在控制界有著廣泛的興趣，另外智能控制如模糊控制等在非線性結構控制中會有很好的應用前景，也值得深入探討。

4.3 結構控制中的混合控制

不同類型的控制算法集成的研究即混合(hybrid)控制方式目前是控制界極受關注的問題，在結構控制中研究主動與被動控制間的最優混合，是具有實際意義的方向.此外，利用一些主動控制算法進行結構設計參數的優化問題也值得進一步研究。

4.4 結構控制中的可靠性要求

許多結構控制問題對于可靠性要求很高，而在正常條件下又無法對整個閉環系統進行實現證實控制方案的正確性，如為提高建筑物的抗震能力而設計的結構控制器.這樣，探討結構控制的實驗證實方案是十分重要的問題。

5 結構控制技術的發展展望

經過諸多學者長期不懈的努力，特別是在近十幾年的時間里，土木工程結構控制技術得到了全面迅速的發展，呈現出一派生機勃勃的發展勢頭。展望今后一個時期內，結構控制技術的發展趨勢將是：

5.1 被動控制技術規范化實用化。將目前一些較為成熟并且已得到實際工程

證實的被動控制技術，如基礎隔振、耗能吸能減振等，進行系統整理，使之逐步規范化、實用化，并編入新制訂的結構設計規范中，以推動其在工程實踐中的廣泛應用。目前在國內外這方面的工作已經有了一些進展。

5.2 加強對半主動控制和混合控制技術的實驗研究以及試點工程的研究

半主動控制和混合控制技術是今后土木工程結構控制的重要發展方向，因此應進一步加強對它們的實驗研究以及試點工程的研究，以驗證其實際控制效果及可靠性，并不斷總結、完善，以期盡快達到實用化的要求。雖然目前結構控制技術尚未在土木工程中得到廣泛應用，但由于其自身所具有的明顯優勢--“智能型”，其良好的應用前景是毋須置疑的。結構振動控制在高層建筑和高聳結構還有較為廣泛的發展前景。雖然，在我國結構振動控制目前多數僅應用于高聳結構中，但隨著我國高層建筑特別是超高層建筑的發展，必將給結構振動控制帶來更為廣闊發展空間因此有理由相信，采用結構控制技術的智能型隔振減振結構將會是不久的將來人們的現實追求。

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