土木工程結構振動控制的研究現狀與展望

李明

【摘要】 在土木工程中開展結構振動控制的目的是為了強化現代建筑的使用性能，同時也是為了提高建筑在使用中的抗災能力。其在實際的研究中已經取得了初步的成果，根據其研究成果可以分為主動、被動、混合及智能這四種控制形式。以下從現今建筑使用中需要面臨的環境問題來進來分析其發展現狀，并結合現今人們對建筑安全的需要及土木工程的發展情況對其此研究的未來進行展望。

【關鍵詞】 土木工程；結構振動；控制；研究現狀；展望

由于我國地理面積廣闊，其中包含著許多復雜的地形，一些地區處于地震帶，在發生地震時為人們帶來了極其嚴重的生命財產損失。而在地震發生時，一些人員無法逃出建筑而受到生命威脅的現象屢見不鮮，因此建筑的抗震性能也成為了土木工程中重點研究的項目，其中結構振動控制的理念受到廣泛的關注，基于此理念的研究也在不斷的開展。

一、土木工程結構振動控制的研究現狀

地震主要是由于地殼板塊運動產生的劇烈動力現象，在地震區域的建筑會受到強力的作用產生晃動，這部分力產生的載荷在超過建筑可承受的臨界值后會使建筑出現斷裂、倒塌的現象。而受建筑結構、材料及使用的要求，其實際的抗震能力并不能達到理想的是狀態。而現今在土木工程中融入了結構振動原理為建筑抗震設計提供了一個突破口，其在實際應用中的范圍也越來越廣。

而在現今的研究中通過結構振動控制來降低地震能量對建筑所帶來的影響，降低其結構所承受的載荷力，從而在地震產生的能量中可以對建筑內部的人員、物品起到一個防護的作用，并在外力的作用下通過消能保證結構的完整性。總體來說就是利用消能材料、結構、裝置來控制及分散振動所產生的瞬時爆發力，同時控制裝置還可以地震的頻率來施加適當的控制力，以達到降低結構振動作用下的各種反應。

二、土木工程結構振動控制

（一）被動控制分析

被動控制是在工程結構上添加一個子系統或者改造結構上的構件使其動力特性發生變化的技術，在使用中其可以利用隔振裝置來降低地震瞬時力產生時對建筑造成的位移其情況，并通過耗能裝置將振動中輸出的能量進行消耗，從而降低劇烈振動過程中產生破壞力，而吸能則是應用子結構來對余震所產生的能量進行吸收，并對此部分能量進行分散釋放，從而降低能量波對局部所造成的高損害情況。

（二）主動控制分析

主動控制與被動控制相比，其結構較為復雜，需要外部能量的支持，成本較高，維護復雜。但是主動控制對于高層建筑的控制效果相對較好。其原理是傳感器監測結構的動力響應，并將監測的信息送入計算機，計算機根據指定公式算法計算出施加力，并由部能源驅動作動器產生施加在結構上的控制力。

（三）混合控制分析

這種控制方法主要是將以上兩種控制系統的優點進行融合，從而彌補了主動控制耗費高及被動控制能量消耗量較低的缺陷，兩種控制系統的聯用可以突破原有的控制系統存在的局限性，擴大了其使用的范圍。

（四）智能控制分析

智能控制是指利用智能化的材料和控制理論在結構受激勵振動時通過對結構內部參數進行調整來改變結構的動力學特性，實現減少振動反應的目的。其中智能化控制理論有模糊控制、神經網絡控制和遺傳算法等。

三、土木工程結構振動控制的發展前景

此研究具有多學科交匯的特點，在使用中需要對其所涉及的領域都有豐富的了解及充足的知識儲備量，而結構振動控制的發展需要由多角度進行創新研究，其發展前景以下有幾點淺見。

（一）能量回收

在地震的過程中會泄露出大量的能量，這部分施加于建筑上的能量需要由建筑結構振動控制系統進行抵消，但是這部分施加的能量卻過多，例如在主動控制系統中，其需要外部有足夠的能源來提供其進行控制工作的所需，一旦外部能源量少且無法提供持續供給將會造成控制系統的失效。因此如何進行能量回收、怎樣回收、回收技術及回收理論等都是其發展中的重點，也是發展中需要重點關注的項目之一。

（二）被動控制技術規范化、實用化

在現今的建設工程中結構振動被動控制系統使用的范圍最廣，其在發展的過程中各項技術也在不斷的被完善，在使用中所提供的服務也相對成熟且成本較低，具有極好的實用價值。但是在現今對被動控制系統的研究中可以看出其系統的使用仍然較為散亂，其系統內容及使用技術在操作的過程中較為復雜，因此在發展中應注重系統的規范處理，并制定完善的管理規范，簡化操作流程，提高其實用性，從而為其推廣及擴展提供發展契機。

（三）加強主動、混合、智能控制的研究實驗

這三種形式所提供的結構振動控制效果更好，且在現代信息技術及計算機技術的發展下這三種控制方式更適合現今的建筑防震。在主動及混合控制中需要從其技術原理及技術內容入手，在原有的基礎上將其控制技術的使用簡化，并通過總結原有的技術缺陷來進行補足完善，通過研究新材料、新技術來降低其使用的成本。而在智能控制中需要對其程序中各類參數進行準確的設置，并結合地理特點及地震產生的參數來制定智能系統控制防護開啟的參數。

（四）加強國家政策的扶持

目前土木工程結構振動控制被歸為抗震中的一項重要技術，其在實際的使用中雖然仍存有一定的不足之處但也取得了一定的進步，而其作為一種可以在建設工程中大范圍使用的具有一定優勢的技術，其研究及發展需要由國家及相關部門的支持，這樣才能在適當的范圍內為研究工作的開展提供最大的便利，使結構振動控制可以得到最新的技術及資料的支持，從而增強其時效性及可操作性。

四、結語

目前根據結構振動控制的應用可以發現其所創造的價值不只體現在其經濟效益上，更重要的是在對人民生命財產安全保護上的效果。在土木工程結構振動的研究上需要由多學科、技術進行交叉探索，這也需要研究人員的不斷努力。同時相關部門也需要給予相應的鼓勵及支持，從而促進此研究的持續發展。根據被動控制系統在實際應用中所取得的成果來看，在同類技術的研究上有良好的發展前景，其價值及意義對建筑行業來說非常重要。

參考文獻：

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