土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展

呂凌霄

摘 要：近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平的日益提高，同時(shí)也帶動(dòng)了我國土木工程的快速發(fā)展，而在土木工程結(jié)構(gòu)中振動(dòng)控制技術(shù)中傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系是通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的性能從而達(dá)到“抗御”地震的目的，但這種方法的作用與安全性相對是較低的，因?yàn)槿藗儗Y(jié)構(gòu)未來可能遭遇的地震動(dòng)的強(qiáng)度和特性還不能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行估算，并且根據(jù)傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)其抗震性能也不具備自我控制和自我調(diào)節(jié)的能力，所以在這種不確定性的地震作用下，結(jié)構(gòu)的安全性能不能得到充分的保障，最后產(chǎn)生倒塌或遭到嚴(yán)重破壞，造成人員傷亡與巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：土木工程；震動(dòng)控制；發(fā)展

前言

緊跟著社會的不斷進(jìn)步，土木工程也得到一定的發(fā)展。同時(shí)，緊跟著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人類抗災(zāi)的能力也越來越高。但是，依舊需要引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)，不斷對設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的防震技術(shù)的作用不大，會對人們的生命安全產(chǎn)生一定的威脅。當(dāng)發(fā)生地震的時(shí)候，結(jié)構(gòu)不能支持的時(shí)候就會產(chǎn)生十分嚴(yán)重的破壞。為此，一定要重視土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的不斷優(yōu)化創(chuàng)新。

一、被動(dòng)控制

被動(dòng)控制是一種不需要外部能源的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，一般是指在結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位附加一個(gè)子系統(tǒng)，或?qū)Y(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件做構(gòu)造上的處理以改變結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性。被動(dòng)控制因其構(gòu)造簡單、造價(jià)低、易于維護(hù)且無需外部能源支持等優(yōu)點(diǎn)而引起了廣泛的關(guān)注，并成為目前應(yīng)用開發(fā)的熱點(diǎn)，許多被動(dòng)控制技術(shù)已日趨成熟，并已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。

二、主動(dòng)控制

主動(dòng)控制是一種需要外部能源的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，它是通過施加與振動(dòng)方向相反的控制力來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制的，其工作原理如下：傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和外部激勵(lì)，將監(jiān)測的信息送入計(jì)算機(jī)內(nèi)，計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的算法給出應(yīng)施加的力的大小，最后，由外部能源驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)產(chǎn)生所需的力。如果傳感器僅測量結(jié)構(gòu)響應(yīng)的信號，稱控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制；如果傳感器僅測量外部激勵(lì)的信號，稱控制系統(tǒng)為開環(huán)控制；如果傳感器同時(shí)測量結(jié)構(gòu)響應(yīng)和外部激勵(lì)的信號，則稱控制系統(tǒng)為閉-開環(huán)控制。主動(dòng)控制可分為控制力型和結(jié)構(gòu)性能可變型（半主動(dòng)控制）兩類。

2.1 控制力型

它的特點(diǎn)是采用能檢測結(jié)構(gòu)及外干擾振動(dòng)的傳感器，將傳感器獲得的信號作為控制振動(dòng)的控制信號，通過作動(dòng)器隨時(shí)向結(jié)構(gòu)施加控制力，以便及時(shí)控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。控制裝置大體上由儀器測量系統(tǒng)（傳感器）、控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)）、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（作動(dòng)器）等組成。目前研究開發(fā)的控制力型主動(dòng)控制裝置主要有：主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、主動(dòng)拉索系統(tǒng)、主動(dòng)支撐系統(tǒng)、主動(dòng)空氣動(dòng)力擋風(fēng)板系統(tǒng)、氣體脈沖發(fā)生器系統(tǒng)等。

2.2 結(jié)構(gòu)性能可變型（半主動(dòng)控制）

它是利用控制機(jī)構(gòu)來主動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的參數(shù)，使結(jié)構(gòu)參數(shù)處于最優(yōu)狀態(tài)，所需的外部能量比控制力型小得多。比起控制力型主動(dòng)控制，結(jié)構(gòu)性能可變型主動(dòng)控制更容易實(shí)施而且也更為經(jīng)濟(jì)，而控制效果又與前者相近，因此結(jié)構(gòu)性能可變型主動(dòng)控制目前具有更大的研究和應(yīng)用價(jià)值。結(jié)構(gòu)性能可變型主動(dòng)控制往往采用開關(guān)控制或稱為”0-1”控制，通過開關(guān)改變控制器的工作狀態(tài)，從而改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。目前，較為典型的結(jié)構(gòu)性能可變型主動(dòng)控制裝置有：可變剛度系統(tǒng)、可變阻尼系統(tǒng)、主動(dòng)調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、可控（電流變或磁流變）液體阻尼器、可控摩擦式隔振系統(tǒng)等。

三、混合控制

混合控制是主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的聯(lián)合應(yīng)用，使其協(xié)調(diào)起來共同工作。這種控制系統(tǒng)充分利用了被動(dòng)控制與主動(dòng)控制各自的優(yōu)點(diǎn)，它既可以通過被動(dòng)控制系統(tǒng)大量耗散振動(dòng)能量，又可以利用主動(dòng)控制系統(tǒng)來保證控制效果，比單純的主動(dòng)控制能節(jié)省大量的能量，因此有著良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

四、有待研究的控制問題

結(jié)構(gòu)控制這一課題，近年來，受到了多個(gè)領(lǐng)域的學(xué)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(jié)果，在應(yīng)用上成功的例子也很多，但仍有一些問題有待進(jìn)一步深入探討。

3.1 從控制器設(shè)計(jì)角度的建模與模型簡化

由于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)維數(shù)高，含有未建模動(dòng)態(tài)特性及參數(shù)不確定性等，研究面向低階魯棒控制器設(shè)計(jì)的辨識方法及模型簡化技術(shù)等問題是具有實(shí)際意義的，同時(shí)對于含智能材料的結(jié)構(gòu)，由于材料的強(qiáng)非線性，對材料與結(jié)構(gòu)間的非線性相互作用的辨識也需進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)構(gòu)控制中的非線性控制

研究帶有滯回環(huán)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(jié)構(gòu)控制中會有很好的應(yīng)用前景，也值得深入探討。

3.3 結(jié)構(gòu)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(guān)注的問題，在結(jié)構(gòu)控制中研究主動(dòng)與被動(dòng)控制間的最優(yōu)混合，是具有實(shí)際意義的方向.此外，利用一些主動(dòng)控制算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化問題也值得進(jìn)一步研究。

五、結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的展望

我國改革開放以來，土木工程結(jié)構(gòu)控制技術(shù)得到了飛速發(fā)展，就目前形勢來看，之后的很長一段時(shí)間里，被動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)用化與規(guī)范化將會是結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。對耗能吸能減振、基礎(chǔ)隔振等，進(jìn)行系統(tǒng)處理，并編入新制訂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，這樣做有利于推進(jìn)其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用廣泛，使土木工程結(jié)構(gòu)控制技術(shù)漸漸的趨于實(shí)用化與規(guī)范化，將試點(diǎn)工程的研究、混合控制技術(shù)、半主動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行有效加強(qiáng)。雖然當(dāng)今結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在土木工程中還沒有得到廣泛的應(yīng)用，但由于其自身所擁有的優(yōu)勢已經(jīng)非常明顯，所以其良好的應(yīng)用前景是毋須置疑的。

結(jié)束語

綜上所述，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的發(fā)展與其巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益已初步得到證明。當(dāng)前結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)仍然存在一些有待進(jìn)一步研究的問題有各種耗能少、造價(jià)低、穩(wěn)定可靠且施工簡便的控制裝置的研制開發(fā)及推廣應(yīng)用；基于隨機(jī)振動(dòng)理論的結(jié)構(gòu)時(shí)變、非線性控制的研究；主動(dòng)控制的時(shí)滯研究以及傳感器、作動(dòng)器的數(shù)目和位置的最優(yōu)化研究等，這是結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。但是縱觀近幾年來土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究與應(yīng)用已取得長足的進(jìn)展，因此有理由相信，采用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的智能型隔振減振結(jié)構(gòu)將會是不久的將來人們的現(xiàn)實(shí)追求。

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