淺談土木工程結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)

車娜

摘要：隨著我國建筑業(yè)的快速發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)也有了很大進(jìn)步。文章通過闡述結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)的內(nèi)涵特征，對(duì)結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行探討，旨在為如何促進(jìn)結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)的有序健康發(fā)展提供一些思路。

關(guān)鍵詞：土木工程;結(jié)構(gòu)減震;控制技術(shù)

引言

在傳統(tǒng)的土木工程中常常采用結(jié)構(gòu)抗震方法，它利用彈塑性設(shè)計(jì)來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身抗震性能，以達(dá)到減震效果。當(dāng)然，這種傳統(tǒng)抗震方法是不具備自我調(diào)節(jié)能力的，它的減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也無法較好滿足工程整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工策略。所以說，逐漸摒棄傳統(tǒng)技術(shù)，采用新技術(shù)開展土木工程減震技術(shù)應(yīng)用還是很有必要的。

1結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)概述

土木工程中的防震體系通常設(shè)置于工程結(jié)構(gòu)的底端與基礎(chǔ)工程頂部之間，以促使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)部分的有效分離。依托隔震體系以對(duì)地震波形成的向上沖擊力予以隔離，能夠使工程結(jié)構(gòu)基本周期得到延長，進(jìn)一步緩解建筑物的地震反應(yīng)，促使全面工程加速度向下，依托隔震系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)地震所形成的能量的分擔(dān)，進(jìn)而達(dá)到減震的目的。結(jié)合地震反應(yīng)圖譜來看，加速度反應(yīng)譜與周期呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，底層建筑的剛度一般很大，因而周期變短，在發(fā)聲振動(dòng)過程中，其獲取的加速度很大，通過應(yīng)用相關(guān)手段可以延長工程結(jié)構(gòu)的基本自震周期，使工程結(jié)構(gòu)基頻維持在地震引發(fā)高能量頻段之外，依托這種方式可切實(shí)縮減建筑物傳輸?shù)募铀俣取?/p>

2土木工程減震技術(shù)中的土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制問題

土木工程減震技術(shù)中對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制效果是基于多重因素展開分析的，例如它的結(jié)構(gòu)特性、環(huán)境作用或控制算法等等。就以控制算法為例，它就涵蓋了對(duì)極點(diǎn)的最優(yōu)配置、模糊邏輯、二次型線性最優(yōu)水平或?qū)ㄖl(fā)生地震后的位移速度與加速度變量觀測(cè)等等。在這些有關(guān)土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的技術(shù)影響下，人們自始至終都希望建立一套統(tǒng)一模型，基于它的控制性能指標(biāo)來檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)中所存在的不同環(huán)境因素，深入探討環(huán)境因素影響下工程結(jié)構(gòu)本身的適用性及有效性問題，所以與結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制體系的相關(guān)問題才會(huì)被逐一提出并得到發(fā)展。

3結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

3.1被動(dòng)控制在土木工程中的應(yīng)用

被動(dòng)控制在土木工程中的應(yīng)用主要包括三種類型：基礎(chǔ)隔震體系、耗能減震體系以及協(xié)調(diào)減震系統(tǒng)等。其中，基礎(chǔ)隔震體系是選取相關(guān)隔震消設(shè)備安裝于上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間，使地震能量向上部的輸入實(shí)現(xiàn)降低，進(jìn)而收獲上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)降低的成效。基礎(chǔ)隔震土木工程中的應(yīng)用，可顯著縮減結(jié)構(gòu)自振頻率，適用于短周期的中低層建筑及剛性結(jié)構(gòu)。因?yàn)楦粽鹬豢蓪?duì)高頻地震波發(fā)揮作用，所以該項(xiàng)控制技術(shù)不適用于高層建筑。對(duì)于耗能減震體系而言，耗能剪力墻、耗能支撐等是較為常用的耗能元件，另外，摩擦阻尼器、金屬屈服阻尼器及黏彈性阻尼器等則是較為常用的阻尼器。對(duì)于協(xié)調(diào)減震系統(tǒng)而言，應(yīng)用相對(duì)較多的協(xié)調(diào)減震系統(tǒng)包括有液壓質(zhì)量振動(dòng)控制系統(tǒng)、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器及協(xié)調(diào)液體阻尼器等。以調(diào)諧質(zhì)量阻尼器為例，其屬于一種小型的振動(dòng)系統(tǒng)，主要由質(zhì)量塊、阻尼器及彈簧等組成。控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的機(jī)制為：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器置入原結(jié)構(gòu)體系后，動(dòng)力性能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，等到原結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下產(chǎn)生距離振動(dòng)后，因?yàn)檎{(diào)諧質(zhì)量阻尼器質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性作用，進(jìn)而對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)反作用力，如此一來，阻尼同樣會(huì)產(chǎn)生耗能作用。

3.2主動(dòng)控制技術(shù)體系

主動(dòng)控制技術(shù)體系充分利用到了外部能源，在考量結(jié)構(gòu)受到激勵(lì)振動(dòng)的過程中對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力一改變它的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，以達(dá)到快速見效結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的目的。主動(dòng)控制結(jié)合傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)與實(shí)時(shí)控制力以改變輸入地震波，在控制振動(dòng)效果方面要優(yōu)于被動(dòng)控制。1989年日本所建成的世界上第一幢采用了AMD系統(tǒng)的11層辦公樓京橋成和大廈就主要結(jié)合了這種主動(dòng)控制技術(shù)，它對(duì)風(fēng)振與中等地震具有良好的應(yīng)付能力，其最下方6層都采用了1：4的鋼框架模型頂層設(shè)置，配合AMD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震的主動(dòng)控制過程。

3.3半主動(dòng)控制方法

介于被動(dòng)控制和主動(dòng)控制之間，還存在半主動(dòng)控制方法，這種方法主要是使用少量外部能量或者是不需要外部能量，還可以通過對(duì)控制系統(tǒng)之中結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整來控制結(jié)構(gòu)動(dòng)力的反應(yīng)。半主動(dòng)控制方法既有被動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)又具備主動(dòng)控制系統(tǒng)的超強(qiáng)適應(yīng)性，而且造價(jià)比較合適，因此在未來的使用上具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展前途。

半主動(dòng)控制主要包括兩種類型：主動(dòng)變剛度控制系統(tǒng)和主動(dòng)變阻尼控制系統(tǒng)。主動(dòng)變剛度系統(tǒng)主要是通過主動(dòng)變剛度控制裝置來使得受控結(jié)構(gòu)的剛度在每一個(gè)采樣周期之內(nèi)依據(jù)外荷載的頻譜特性而在不同的剛度值之間進(jìn)行切換，這樣則可以使得受控結(jié)構(gòu)在每一采樣周期之內(nèi)都可以遠(yuǎn)離共振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)減振的目的。上世紀(jì)末日本就通過實(shí)踐證明了半主動(dòng)控制在中小地震中的突出作用，這種控制顯示出了較好的控制效果。主動(dòng)變阻尼控制系統(tǒng)則是通過控制裝置來使受控結(jié)構(gòu)的阻尼可以在每一采樣周期之內(nèi)獲得不同的阻尼狀態(tài)之間來進(jìn)行切換，從而達(dá)到減震的目的。

不難看出，半主動(dòng)控制方法結(jié)合了被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)以及主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，可以依據(jù)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)同外界的干擾狀態(tài)來控制結(jié)構(gòu)。這種控制需要由電池提供的能量來操作控制設(shè)施，這樣就能夠有效避免主動(dòng)控制在大地震來臨之時(shí)無法辦得到能量支持的劣勢(shì)。半自動(dòng)控制需要的控制設(shè)施既經(jīng)濟(jì)又可靠，同時(shí)對(duì)于維護(hù)的要求也不高，綜合以上有點(diǎn)，半主動(dòng)控制成為當(dāng)前世界范圍之內(nèi)廣泛被業(yè)界所接受的土木工程結(jié)構(gòu)減震的控制方法。

4結(jié)語

總而言之，結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)在土木工程中還有待進(jìn)一步推廣，相關(guān)人員要不斷研究、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高對(duì)結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)內(nèi)涵特征的有效認(rèn)識(shí)，推進(jìn)結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)在土木工程中的科學(xué)合理應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)的有序健康發(fā)展。