結(jié)構(gòu)振動控制的研究進展

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

一、結(jié)構(gòu)振動控制的研究意義

改革開放以來，中國經(jīng)濟快速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)發(fā)展也越來越迅速，在機械、軍事設(shè)備及飛機等，結(jié)構(gòu)振動控制發(fā)展快速，而針對于土木工程而言，結(jié)構(gòu)振動控制發(fā)展相對滯后。而且，在經(jīng)濟發(fā)展快速的今天，人們生活質(zhì)量越來越好，樓房的建設(shè)越來越高，精密機械越來越普遍，許多傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗振已經(jīng)越來越不能滿足人們的要求，人們對于建筑的結(jié)構(gòu)的響應(yīng)越來越重視，并且對其要求越來越高，特別是針對于“舒適度”以及“有些機械對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的苛刻要求”，因此對于土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的研究顯得至關(guān)重要。

二、結(jié)構(gòu)振動控制的概念與分類

通過1956 D Hartog提出結(jié)構(gòu)振動減震控制(TMD)的理念和思想，結(jié)構(gòu)振動控制經(jīng)過四十多年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)振動被動控制的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，而主動控制、半主動控制以及混合控制還處于發(fā)展時期，擁有很大的發(fā)展?jié)摿Α６遥Y(jié)構(gòu)振動控制的概念經(jīng)過不斷的完善，如今可理解為：在工程主結(jié)構(gòu)上特定位置上安放某種子結(jié)構(gòu)或者安裝某種裝置甚至施加外力來調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力特性，以至于結(jié)構(gòu)的動力特性得到合理的控制，保證建筑物中的機械設(shè)備能正常使用，以及得到合適的舒適度[1]。

(一)被動控制。被動控制一般是在主結(jié)構(gòu)上附加一個子系統(tǒng)，或結(jié)構(gòu)的某個特定部位安放一些隔振支座從而改變其力學(xué)特性，被動控制不依賴外部能源提供控制力，不受外界的干擾，其控制力是由于被動控制裝置隨主結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移而產(chǎn)生的，可分為隔震，消能減震和吸能減震[3]。而隔震分為基礎(chǔ)隔震與層間隔震。隔震是通過減少外部振動能的輸入，消能減震通過改變結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼，吸振是通過改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量M，來達到減振的目的。被動控制不依賴外部能源提供控制力，它依靠改變結(jié)構(gòu)的動力特性從而是結(jié)構(gòu)振動得到控制，為振動控制比較常用的方法。

(二)主動控制。主動控制是基于計算機的運行上設(shè)計的，結(jié)構(gòu)主動控制就是運用傳感器輸入數(shù)據(jù)，計算機處理并輸出數(shù)據(jù)，再經(jīng)過輸出設(shè)備借助外部能源對結(jié)構(gòu)輸出荷載，從而使結(jié)構(gòu)振動得到控制。

(三)半主動控制。半主動控制結(jié)合了主動控制與被動控制的方法，運用了半主動控制器，即一個控制元件中包含了主動控制器與被動控制器，來實現(xiàn)半主動控制。

三、結(jié)構(gòu)振動控制的運用現(xiàn)狀

近幾年來，結(jié)構(gòu)振動控制在土木工程相關(guān)領(lǐng)域中迅速的發(fā)展，結(jié)構(gòu)振動控制在建筑中得到越來越有效的利用，而這些發(fā)展離不開科學(xué)的研究。結(jié)構(gòu)振動控制自其興起以來，國內(nèi)外學(xué)者住了許多研究，以下是其中一部分研究成果：

(一)被動控制

被動控制是結(jié)構(gòu)振動控制中最早被提出，并且發(fā)展最為成熟的一項技術(shù)，自1956年被提出以來，已經(jīng)發(fā)展了41年。如今，結(jié)構(gòu)被動控制主要分為隔振、耗能減振以及吸振三大板塊。

被動控制具有構(gòu)造簡單、造價低，易于維護且無需外部能源支持等優(yōu)點，且如今許多被動控制技術(shù)均在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用。

1.隔振。隔振是對結(jié)構(gòu)振動的一種隔離技術(shù)，是目前被動控制中最為有效的一項技術(shù)，通常可以隔離結(jié)構(gòu)振動的40%以上，作用效果非常明顯，而且非常實用，裝備器具也非常簡單便捷，在建筑中主要分為基礎(chǔ)隔振與層間隔振。那么，如今國內(nèi)外在隔振技術(shù)上進展如何，我以以下幾點比較新的研究成果來講明。

2.耗能減振。耗能減震主要是消耗結(jié)構(gòu)中的能量來降低結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)，通常是在結(jié)構(gòu)里面設(shè)置耗能器來消耗結(jié)構(gòu)的能量。其主要的耗能器包括：粘滯阻尼器、摩擦阻尼器以及鋼板阻尼器等。

(二)主動控制

就目前而言，我國在土木工程領(lǐng)域上對于結(jié)構(gòu)主動控制的研究還不成熟，在很多方面都缺少研究，但是結(jié)構(gòu)主動控制跟我們生活息息相關(guān)，因此對于結(jié)構(gòu)振動控制的研究至關(guān)重要。

四、結(jié)構(gòu)振動控制存在的問題

(一)被動控制。被動控制雖然發(fā)展比較成熟，但目前被動控制也存在一些無法避免的問題。(1)運用被動控制的建筑物建設(shè)的前期經(jīng)濟一般會比正常沒用使用被動控制的建筑物所消耗的費用要高。(2)除隔振外，其他兩種被動控制技術(shù)的減震效果比較局限，減震的效果依賴于外部施加能量的頻率(如地震頻率與風(fēng)振頻率)。特別是吸能，其減震效果一般屬于窄帶減振，在被動控制中，主要用于消除結(jié)構(gòu)的共振，因此減振效果有限。

(二)主動控制。(1)時滯問題：傳感器獲得數(shù)據(jù)與計算機處理數(shù)據(jù)及輸出設(shè)備輸出荷載都需要一定的時間，從而導(dǎo)致時間滯后。(2)在地震作用下，外部能源能否正常為結(jié)構(gòu)主動控制提供能量的問題：由于遭受罕遇地震時，能源的供給機制容易損壞，從而無法為輸出設(shè)備提供大量的能量，輸出荷載受到影響。

五、結(jié)構(gòu)振動控制的展望

1.研發(fā)新型控制裝置，特別是各種耗能控制裝置的研制，使結(jié)構(gòu)振動控制的能耗低、成本低、穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單；

2.研究高性能和高智能的結(jié)構(gòu)振動控制元件；

3.對于結(jié)構(gòu)振動控制中主動控制部分的時間效應(yīng)進行研究，期望在今后幾年里，有學(xué)者能夠有效的解決主動控制的時間滯后的影響；

4.多維結(jié)構(gòu)振動控制的研究。現(xiàn)在多維結(jié)構(gòu)振動控制的研究還很不成熟，許多理論以及技術(shù)還不夠完善，因此，我覺得對多維結(jié)構(gòu)振動控制是很有必要的；

5.對控制力的大小、位置、控制律的研究；

六、結(jié)束語

自習(xí)主席登臺以來，一直倡導(dǎo)創(chuàng)新精神以及走可持續(xù)發(fā)展的道路，而結(jié)構(gòu)振動控制運用于土木工程中以減少結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，一方面給人們提供一個舒適的生活，另一方可以做到滿足于當(dāng)今精密機械的要求，顯示出結(jié)構(gòu)振動控制的諸多優(yōu)點。但是，就現(xiàn)在而言，我國對結(jié)構(gòu)振動控制的研究還不成熟，結(jié)構(gòu)振動控制在土木工程中運用還存在許多問題，且最急迫解決的兩個問題就是：(1)不管是主動控制還是半主動控制，都存在時間滯后問題和耗能太大以及傳感器可能失效問題；(2)被動控制中的調(diào)諧減震太過于敏感，只能對部分頻率的地震有減震效果，屬于窄帶減震，對于頻率相差較大的地震減震效果不明顯。結(jié)構(gòu)振動控制的研究發(fā)展需要廣大有社會責(zé)任感的工程技術(shù)人員及科研人員的密切關(guān)注，使其工程特性日益完善，盡早的得到推廣與運用，以利于實現(xiàn)環(huán)境、資源、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展及建設(shè)和諧社會的戰(zhàn)略目標。