土木工程結構振動控制技術的發展

張明俊

摘要：隨著社會的發展， 人們對建筑結構的性能提出了更高的要求， 如發射塔的抗震要求、高層建筑中居住者的舒適感和抗震安全性的要求等。這些實際需求促進了對建筑結構控制的研究， 其中， 結構振動控制已成為目前結構工程學科中的一個十分活躍的研究領域。

關鍵詞：土木工程;結構振動控制技術;發展

近幾年來， 中國工程界非常重視結構控制的研究， 由中、美、日聯合舉辦的結構控制會議每兩年舉行一次， 來自各國的科學家交流各自的經驗成果， 為結構控制學科的進一步發展奠定了基礎。

1 結構控制技術起源

早在1950年， 前蘇聯就在一座100米高、50t重的鋼結構電視塔頂安置了4個重250kg的擺錘來減振， 使得該塔的對數衰減率由0.12增加到0.56， 這是最早在電視塔上設置控制裝置的實例。由于隔震技術的發展歷史比較長， 是目前應用比較廣泛且成熟的一項結構控制技術， 已被應用到石油儲運和石油化工等領域中。20世紀70年代至今， 隨著計算機技術的迅速發展和不斷進步， 以及系統工程和系統論的進一步研究， 許多科學家和科技工作者進一步提出了人工智能學說、神經網絡、模糊識別與模糊控制論等理論和技術， 使自動化技術的控制理論從現代控制理論轉向了以智能控制理論為基礎的智能控制理論。國內的這方面研究始于80年代初王光遠院士對高聳結構風振控制的評述， 李桂青教授曾在1987年首次提出了“控制結構” 的概念， 得到了國際上的認同。

2 結構控制的發展與應用

2.1被動控制

被動控制是一種不需要外部能源的結構控制技術， 一般是指在結構的某個部位附加一個子系統， 或對結構自身的某些構件做構造上的處理以改變結構體系的動力特性。被動控制因其構造簡單、造價低、易于維護且無需外部能源支持等優點而引起了廣泛的關注， 并成為目前應用開發的熱點， 許多被動控制技術已在實際工程中得到應用。被動控制從控制機理上可分為基礎隔振和消能減振兩大類。

2.2 基礎隔振

基礎隔振是在上部結構與基礎之間設置某種隔振消能裝置， 以減小地震能量向上部的傳輸， 從而達到減小上部結構振動的目的。目前研究開發的基礎隔震技術主要有：夾層橡膠墊隔震、摩擦滑移隔震、滾珠及滾軸隔震、支撐式擺動隔震和混合隔震。

在目前國內外已經研究、開發的各種技術中， 夾層橡膠墊隔震技術較為成熟。已大量應用于建筑結構、橋梁、設備等隔震工程中， 成為一項可以廣泛推廣應用的隔震技術。我國學者早在8O年代初期就開始對夾層橡膠墊隔震技術進行研究， 并于他國聯合進行了一系列試驗研究。

2.3 消能減振

消能減振技術是在主體結構中附加子結構， 使結構的振動發生位移， 即使結構的振動能量在原結構和子結構之間重新分配， 而達到減小結構振動的目的。目前主要的消能減震裝置有： （1） 調諧質量阻尼系統 （TMD） ; （2） 調液質量阻尼器減振系統 （TLD） ; （3） 質量泵; （4） 液壓一質量控制系統 （HMS） ; （5） 空氣阻尼器。其中， 應用最多的是TMD和TLD。

2.4 主動控制

主動控制是一種需要外部能源 （計算機控制系統或智能材料） 的結構控制技術， 它是通過施加與振動方向相反的控制力來實現結構控制的。目前主動控制有主動拉索系統 （ATS） 、主動支撐系統 （ABS） 、主動可變剛度系統 （AVSS） 、主動質量阻尼系統 （AMD） 、脈沖發生器 （PG） 等。

結構振動的主動控制的研究始于20世紀70年代， 然而真正從理論和實踐兩方面研究并應用到土木工程結構上， 還只是在1990年左右。1989年日本在京橋成和大廈首次采用了主動質量阻尼器。該建筑從動工到竣工的三年里， 經歷了十余次地震， 在地震中， 結構及控制系統的反應均被記錄下來， 并被輸入計算機進行數字模擬， 模擬結果與實測結果吻合的很好， 證明了所采用的分析方法與結構控制模型的正確性。

2.5 半主動控制

半主動控制是一種新型的控制方法， 根據結構的振動反應或動荷載的信息， 實時改變結構的參數 （如阻尼、剛度等） 來減小結構的反應。半主動控制可分為變剛度和變阻尼兩種。

日本學者Kobori等首先提出了一種“主動變剛度系統” （AVS） 。1990年建成了世界上第一幢采用半主動控制的建筑物—東京鹿島技術研究所大樓。這是一幢三層鋼結構的大型振動臺實驗大樓， 在經受了加速度峰值為0.25的強地震考驗之后， 運行正常， 減震效果非常明顯。

變阻尼系統由Hrovat首先提出。我國學者先后對半主動控制進行了一定的實驗和理論研究。哈爾濱建筑大學的劉季等對一個五層的鋼框架建筑結構模型進行了變剛度半主動控制的振動臺實驗， 進一步驗證了變剛度半主動控制的可行性和高效性。此外， 周福霖等將變剛度結構與變阻尼結構結合起來， 提出了主動變剛度/變阻尼的半主控制系統， 綜合了兩種半主動控制系統的優點。

2.6 混合控制

混和控制是主動控制和被動控制的聯合應用， 使其協調起來共同工作， 它既可以通過被動控制系統大量耗散振動能量， 又可以利用主動控系統來保證控制效果。混合控制體系能有效抑制結構的振動。一些研究表明混和控制與半主動控制的性能大大優于被動控制， 甚至可達到或超過主動控制的性能， 并在穩定性與適用性方面要優于后者， 因此成為當前研究的一個熱點。目前， HMD系統已成功地應用于橋梁的振動控制。

3 結語：

總之， 進行結構控制的目的是為了讓建筑物能夠抵御自然災害的襲擊， 降低結構在動力荷載 （如地震發生時或者風災） 作用時的響應， 以最大限度地保障人類生命與財產的安全。因此， 結構控制實質上是一種防災減災的手段。結構控制技術的發展經歷了一個漫長的過程， 由最初的被動控制、半主動控制、主動控制， 到今天的智能控制。它正向著新的方向發展， 但還需要一代一代科研工作人員的不懈努力。

參考文獻：

[1]陽橋.關于土木工程結構振動控制技術的探討[J].建材與裝飾，2019（18）：4-5.

[2]蔡準.關于土木工程結構振動控制技術的探討[J].價值工程，2015，34（23）：103-105