結構振動控制概況綜述

李春偉

【摘 要】結構振動控制在土木工程領域的研究已有近半個世紀的發展歷程，其研究范疇大體又分為無源的被動控制和有源的主動控制。本文簡要敘述了被動控制、主動控制、半主動控制以及混合控制的發展概況及應用，作出了對振動控制技術在未來土木工程領域的展望。

【關鍵詞】振動控制；被動控制；主動控制；半主動控制；混合控制

前言

傳統的抗震方法就是“以剛克剛”，提高建筑物結構的剛度、強度來抵抗地震作用。由于傳統抗震方法過度依賴結構構件的延性，對于構件所造成的損傷卻沒有考慮周全。1972年，美籍華人姚治平利用現代控制理論，把振動控制應用到土木工程結構抗震中來[1]，此后，土木工程結構振動控制迅速發展。結構振動控制按照有無能量的輸入可以劃分為被動控制即不需要能量輸入，主動控制即需要能量輸入，半主動控制以及混合控制即主動控制與被動控制的混合[2]。

一、被動控制

被動控制是不需要提供外部能量的，是一種完全依靠自身的抗震減震方法。在建筑物結構增設外部隔震或耗能構件，有的利用建筑物自身的某些構件，用來消耗地震帶來的巨大能量，以減少地震對上部建筑物的破壞。被動控制主要是應用隔、吸、耗的方法弱化強大的地震能量，以達到減震的目的。

（一）基礎隔震

基礎隔震技術研究的比較早，無論是國內還是國外都有了很大的發展和實際應用。最早于1881年，由一位日本學者河合浩藏提出了基礎隔震的思想。1969年南斯拉夫在災后重新建設的建筑物中，有采用橡膠支座的設置。1993年，由周福霖教授等在廣東汕頭建成的第一座橡膠隔震建筑，經歷了臺灣海峽地震，證明基礎隔震技術的可行性[3]。

隔震技術是通過在建筑結構的基礎與建筑物上部的結構之間增設一層用于隔震的隔振墊，隔振墊可以吸收地震的能量。由于隔振墊的存在，將大地與結構隔開了，也就是地震時大地在晃動，而結構不受地震的影響，從而達到減震的目的。除了利用橡膠墊作為隔振墊，還有滑動摩擦隔震、鋼筋瀝青復合隔震、摩擦擺隔震以及組合隔震等多種隔震體系[4]。

（二）吸能減震

吸振減震是在結構中設置一個吸振子系統，當地震來臨時，這個吸振子系統會同結構一起振動，承擔其中的能量而保護結構不受破壞。吸振子系統主要有質量系為固體的調諧質量阻尼系統（TMD）和質量系為液體的調諧液體阻尼器（TLD）等[5]。

（三） 耗能減震

耗能減震是在結構中設置耗能元件或耗能系統，改變結構的剛度、阻尼，將地震能量消耗，避免震動能量傳到上部，以保證建筑物的安全性。主要的耗能裝置大體可以分為摩擦耗能、粘性和粘彈性阻尼器、金屬阻尼器[6]。摩擦耗能裝置在巨大的地震能量下會產生滑移，通過滑移摩擦消耗能量，降低地震對建筑物結構的能量輸入，使建筑物不受破壞。阻尼器作為耗能裝置需要這種材料在進入塑性階段后具有良好的滯回性能，金屬材料也便作為這種阻尼器的最佳材料。粘性和粘彈性阻尼系統的應用也有很多，紐約的世貿中心大廈就使用了粘彈性阻尼器。

耗能減震技術可應用各種結構，在減震性能方面也比較突出，因而耗能減震有較大的研究價值。

二、主動控制

結構主動控制原理，當地震等外界干擾發生時，通過傳感器的感應傳輸給計算機主機，計算機利用主動控制算法對反饋來的外界干擾進行分析計算，得出最優主動控制力，主機再控制主動控制作動器進行運作。主動控制即利用作動器巨大的能量輸出，來抵抗地震等外界干擾，從而使建筑物結構達到抗震減震的成效。

隨著結構振動控制理論和控制系統的研究和興起，這種主動的抗震方法能夠更好的滿足建筑物結構的抗震性能。它可以根據外界的干擾自行調節建筑物的阻尼、剛度和抗力，并輸入能量抵消外界干擾，以保證結構的安全性和穩定性。這種積極主動的抗震技術適合絕大部分結構，在結構抗震領域有很大的發展前景。主動控制可以有效的保護設備設施，通過反饋等智能技術做出最優保護方案，使建筑物在提高抗震減震方面提供了一個新途徑。

三、半主動控制

主動控制的完成需要輸入大量的能量去使液壓伺服作動器或電機伺服作動器運轉，而半主動控制則需要較少的能量便可實現抗震減震的效果。半主動控制是一種將主動控制與被動控制融合在一起并結合為一體的方法。在被動控制基礎上加上只要較少能量的主動控制，各取所長，是目前比較經濟適用的方法。我國學者也于上世紀末本世紀初，對主動變阻尼控制進行了一系列研究[7]。

四、混合控制

混合控制是應用以上兩種或更多的控制方法，將其混合使用。混合控制取彼所長補此所短，做到經濟適用、便于施工、效果最優。其中有在基礎隔震的基礎上增加主動控制，基礎隔震吸收能量減少對上部結構的動力反應，加上主動控制進一步減少結構的位移。還有主動控制與耗能減震裝置的混合，液壓阻尼系統與主動質量阻尼器的混合等等[8]。

五、結束語

結構振動控制是一門新興的綜合性學科，它需要精密的反饋裝置來傳輸信息，強大的計算機性能保障整個運行過程，精確且智能的控制算法來確定最優控制力，以及作為吸耗能的重要材料。

總結全文有以下幾點：

1.基礎隔震性能的好壞與隔震材料的性能有關，對于自重不大的低層建筑是不錯的選擇，但對于自重較大的高層建筑來說，隔振墊還要承受結構的自重，普通隔振墊就很難發揮很好的效果，這就需要研制性能更加良好的隔振材料。

2.由于吸能耗能減震是靠吸能耗能裝置的作用，所以，吸能耗能裝置的研究對于結構抗震來說意義很大。

3.由于需要較大能量的消耗，這種高成本的主動控制的研究并不是很熱門，但是主動控制卻是在結構抗震減震方面取得的成績令人引以為傲。而控制算法的研究是未來的研究發展方向。

4.半主動控制只需要少量能的消耗便可得到和主動控制相近的減震效果，比僅僅使用被動控制或者僅僅使用主動控制來說，工程可行、效果顯著，是現在研究者們熱衷于研究的方向。

5.混合控制將幾種控制方法混合使用，各需所長，是未來結構抗震減震的發展趨勢。

參考文獻：

[1]Yao J T P. Concept of Structural Control[J]. Journal of the Structural Division， 1972， 98（7）： 1567-1574.

[2]李桂青， 鄒祖軍. 結構振動控制述評[J]. 地震工程與工程振動， 1987， 7（1）： 83-93.

[3]徐忠根， 周福霖， 丘湘泉. 汕頭博物館結構動力分析[J]. 世界地震工程， 1996 （2）： 33-36.

[4]尚守平， 崔向龍. 基礎隔震研究與應用的新進展及問題[J]. 廣西大學學報： 自然科學版， 2016， 41（1）： 21-28.

[5]田曉磊， 喬楓. 建筑工程結構振動控制方法綜述[J]. 中國科技投資， 2012 （30）： 95-95.

[6]周云， 劉季. 耗能減震技術研究與應用進展[J]. 世界地震工程， 1995 （1）： 20-28.

[7]孫作玉， 隋麗麗. 變阻尼半主動結構控制振動臺試驗[J]. 地震工程與工程振動， 2000， 20（4）： 106-111.

[8]劉季， 周云. 結構抗震控制的研究與應用狀況（下）—主動控制， 混合控制及半主動控制[J]. 哈爾濱建筑大學學報， 1995， 28（5）： 1-6.endprint