浅谈土木工程结构振动控制技术

浅谈土木工程结构振动控制技术

摘要:土木工程结构振动控制(简称为结构控制技术)是指通过采用一些的控制手段来减轻和抑制结构因为外力荷载所造成的反应或变形。本文通过简述土木工程几种控制技术,来解决其问题,为土木工程建筑者提供参考。

关键词:土木工程结构结构控制发展趋势

虽然结构振动控制技术已经相当的普及,在机械、宇航、船舶等领域都已经得到了广泛应用,但是在土工工程界得到认可的还是起源于1972年美籍华裔学者Yaoj.t.p,是他首次提出把结构控制应用到土木工程。此后,结构振动控制技术在土木领域迅速发展起来。目前,结构振动控制已成为结构工程学科中极为活跃的研究领域,因此把结构振动控制称为土木工程的高科技领域。结构振动控制技术根据所采取的控制措施是否需要外部能源可分为主动控制、主动控制和混合控制。以下将分别对这些控制技术予以简述。

1 被动控制

被动控制属于结构控制技术的一种,它不需要任何外部能源,通常在结构的某部位添加一个子系统,或者处理某些构件的结构体系以此来改变其结构体系动力的特性。被动控制已得到众多科学者的广泛关注,并成为目前应用开发的热点,因为它构造简单、造价低、易于维护并且无需外部能源支持。在实际工程中已经开始应用被动控制技术。

从控制机理上可以把被动控制分为基础隔振与耗能吸能减振。

(1)基础隔振。

基础隔振的作用是通过在上部结构和基础之间设置某种隔振消能装置,来减小地震能量向上部传输的影响,因而实现减小上部结构振动。基础隔振能实现降低结构的振动频率,这主要用于短周期的中低层建筑与刚性结构,因为隔振只对高频地震波有作用,所以不适用于高层建筑。

(2)耗能吸能减振。

耗能吸能减振装置主要有:金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘性液体阻尼器、调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、液压质量控制系统和质量泵等。

2 主动控制

主动控制的工作原理是传感器监测结构的动力响应与外部激励,并将监测的信息传入计算机内,计算机再根据指定的算法来施加相应的力的大小。最后,根据外部能源驱动来控制系统产生所需的力。它还需要外部能源的结构控制技术,还通过施加和振动方向相反的控制力来控制结构。闭环控制的工作原理是传感器只测量结构响应的信号;开环控制的工作原理是传感器仅测量外部激励的信号。闭-开环控制

是传感器同时测量结构响应和外部激励的信号。控制力型和结构性能可变型是主动控制中的两种类型。

(1)控制力型。

控制力型的特点是通过采取能检测结构和外干扰振动的传感器,把传感器获取的信号当作控制振动的控制信号,利用作动器向结构随时施加控制力,实现及时控制结构的动力反应目的。控制装置基本是由仪器测量系统、控制系统、动力驱动系统等构成。目前,研究开发的控制力型主动控制装置主要有:主动质量阻尼系统、主动拉索系统、主动支撑系统、主动空气动力挡风板系统、气体脉冲发生器系统等。

(2)结构性能可变型。

结构性能可变型是通过控制机构来主动调节结构内部的参数,使结构参数达到最优状态,所需的外部能量比控制力型小得多。和控制力型主动控制相比,结构性能可变型主动控制比较容易实施并且也更经济,而控制效果又和控制力型主动控制相近,所以结构性能可变型主动控制目前拥有很大的研究与应用价值。结构性能可变型主动控制往往采用开关控制或称为“0-1”控制,通过开关改变控制器的工作状态,从而改变结构的动力特性。目前,较为典型的结构性能可变型主动控制装置有:可变刚度系统、可变阻尼系统、主动调谐参数质量阻尼系统、可控(电流变或磁流变)液体阻尼器、可控摩擦式隔振系统等。

3 混合控制

混合控制是主动控制和被动控制的联合应用,使其协调起来共同工作。这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点,它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量,又可以利用主动控制系统来保证控制效果,比单纯的主动控制能节省大量的能量,因此有着良好的工程应用价值。目前混合控制装置主要以下儿种:(1)主动质量阻尼系统(AMD)与调谐质量阻尼系统(TMD)或调谐液体阻尼系统(TLD)相结合的混合控制;(2)主动控制与阻尼耗能相结合的混合控制;(3)主动控制与基础隔振相结合的混合控制等。

4 有待研究的控制问题

结构控制这一课题。近年来,受到了多个领域的学者与专家的高度重视,越来越多的控制专家投身于该研究中,在理论上取得了不少新结果,在应用上成功的例子也很多,但仍有一些问题有待进一步深人探讨。

(1)从控制器设计角度的建模与模型简化。

由于结构系统维数高,含有未建模动态特性及参数不确定性等,研究面向低阶鲁棒控制器设计的辨识方法及模型简化技术等问题是具有实际意义的,同时对于含智能材料的结构,由于材料的强非线性,对

材料与结构间的非线性相互作用的辨识也需进一步研究。

(2)结构控制中的非线性控制。

研究带有滞回环及饱和的非线性控制问题,这类问题本身在控制界有着广泛的兴趣,另外智能控制如模糊控制等在非线性结构控制中会有很好的应用前景,也值得深入探讨。

5 结构控制技术的发展展望

通过许多研究者长期的努力,尤其是在最近十几年时间里,土木工程结构控制技术全面迅速发展起来,表现出生机盎然的发展趋势。展望结构控制技术在今后的一个时期内发展趋势将是:首先,将被动控制技术规范化、实用化。把目前一些比较成熟和已被实际工程证实的被动控制技术,例如基础隔振、耗能吸能减振等,进行系统整理,使之逐步规范化、实用化,并编入新制订的结构设计规范中,以推动其在工程实践中的广泛应用。目前,这方面的工作在国内外已经有了一定的进展。其次,加强对半主动控制以及混合控制技术的实验研究和试点工程的研究,半主动控制和混合控制技术将是今后土木工程结构控制的重要发展方向,所以应该更进一步加强对它们的实验研究和试点工程的研究,来验证它们的实际控制效果和可靠性,并不断总结、完善来达到预期的实用化的要求。即使现在的结构控制技术还没有在土木工程中得到广泛应用,但是因为结构控制技术自身所拥有的优势-“智能型”,必