土木工程结构减震控制方法

试述土木工程结构减震控制方法

【摘要】近年来，地震灾害是人类面临的重要自然灾害之一，它的发生具有突发性、随机性，而且会对人民的生命财产安全产生了巨大的威胁。如何减少地震对人们的危害，是我们一直探索的。建筑作为人民生活的场所，更值得我们区深入探究如何加强其抗震性。结构减震控制是通过增加某些结构部位的强度和变形能力提高建筑结构的抗震性能，是土木工程中有效的防灾减灾方法。本文主要分析了土木工程结构减震的控制方法和结构减震控制的最新研究及未来发展趋势。

1.隔震控制技术的基本原理

结构减震控制指的是在建筑结构的某个特定部位设置某种控制装置、机构或种子结构，当结构出现振动的时候，主动或液压质量振动被动的施加外力来改变或调整结构的动力作用或动力特性，从而有效降低结构的振动反应，其最终目的就是通过采取一系列控制措施和方法，降低建筑结构在地震等强动力荷载下的反应，增强建筑结构的稳定性能，为建筑结构的安全性提供保障。

2.土木工程结构减震的控制方法

2.1被动控制

被动控制是通过减震、隔震装置来对振动能量进行消耗，并阻止振动在建筑结构中进行传播，构造简单，造价成本低，维护简便，且不需要外部能源支持，在土木工程结构减震中的应用越来越广泛。

（1）耗能减震

耗能减震是将结构中的一些构件比如支撑、支撑等设计成耗能部件，或者在建筑结构的某些部位比如连接处、节点处设置阻尼器，耗能部件和阻尼器在荷载作用较小的情况下处于弹性状态，在强烈的荷载作用或振动作用下，耗能部件就会进入非弹性状态，能够大量消耗输入结构的能量，避免荷载或振动作用进入主体结构造成结构进入非弹性状态，为主体结构的安全提供了可靠保障。由于耗能装置不同，耗能减震也可分为不同的体系，一种为耗能构件减震体系，常用的耗能元件有耗能支撑、耗能剪力墙等，另一种为阻尼器耗能减震体系，常用的阻尼器有金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞性阻尼器等。耗能减震具有性能稳定、适用范围广、抗震性好、经济实用、可靠性高、技术条件简单等优点，比较适用于高层建筑和超高层建筑。

（2）基础隔震

基础隔震是在建筑物的上部结构与基础之间设置控制机构，比如设置隔震消能装置，从而减小或者隔离地震能量向建筑物上部结构传输，使上部结构的振动减小，避免地震给建筑物带来危害。基础隔震装置必须具备一定的特性才能够满足结构减震需要，因此，装置必须具有较大的变形能力，必须能够提供较大的阻尼并具有较大的耗能，必须具有足够的初始刚度和强度。

（3）调谐减震

调谐减震主要是通过在建筑主体结构中附加一些子结构的方法，使主体结构在强震作用下，振动发生转移，结构中的震动能量就能在

原结构与附加结构之间得到重新的分配，大大降低了震动对原结构带来的破坏。常用的调谐减震系统有调谐质量阻尼器、模式质量阻尼器、质量泵、调谐液体阻尼器、液压质量振动控制系统等，这些调谐减震系统能够有效减小地震反应。

2.2主动控制

结构主动控制是利用外部能源，在结构受激励振动过程中，对结构施加控制力或改变结构的动力特性，从而迅速地减小结构的振动反应。主动控制系统主要包括传感器、控制器和作动器3个组成部分。传感器测量结构反应或外部激励信息。控制器处理传感器测量的信息，实现所需的控制律，其输出为作动器的指令。作动器产生控制力，所需的能量由外部能源提供，控制力有时通过一个辅助子结构作用到受控结构上。主动控制能够很好的应用现代控制理论和最新研究成果。在主动控制中，作动器的控制力可连续变化，所以其有着极广的控制频率，对外界不同激励具有很强的适应性，能够取得很好的控制效果。常用的主动控制系统装置主要有主动质量阻尼器、主动支撑系统、主动拉锁系统等。

2.3半主动控制

半主动的控制是属于一个参数的控制，其控制的过程完全的依赖于外部激励以及结构反应的信息，进而再通过少量的能量而实时的改变结构的阻尼或是刚度等等的参数来减小结构的反应。半主动的控制根本就不需要大量外部能源的输入来直接性的提供一个控制力，只是其实施控制力的作动器就得需要少量的能量调节，这样就可以使得其

可以主动的利用结构振动的往复相对速度或是变形，在最大程度上来充分的实现主动最优控制力。因其半主动控制是兼顾被动控制简单易行以及主动控制优良的控制效果的优点，同时还克服了主动控制需要的大量的能量供给以及被动控制调谐范围窄的不足，所以半主动化的控制具有了一个比较广泛的应用以及比较大研究，这同时也是当前的研究热点。其中常见的半主动控制系统有变刚度变阻尼系统（AVSD）、可变阻尼系统（AVD）、可变刚度系统（AVS）以及主动调谐参数质量阻尼系统（ATMD）等等。

2.4混合控制

混合控制是将主动控制和被动控制联合起来应用，即将主动控制和被动控制同时应用于同一建筑结构减震中，可以将主动控制和被动控制两种方法的优点充分发挥出来，弥补了单一控制方法的制约和不足，只需要小功率的能量输入就能直接提供控制力，控制效果非常明显，调谐范围得以扩大，结构抗震系统的稳定性、实用性和安全性大大提升。

2.5智能控制

在土木工程结构减震方法中还有一种叫做智能控制算法，这种方法不依赖精确的结构模型，而且具有很强的学习及调整逼近能力。智能控制方法主要有两种：

（1）模糊控制算法。模糊控制主要通过状态输出和控制输入的模糊逻辑关系，即模糊控制规则来实现系统的调节或控制。

（2）神经网络控制算法。人工神经网络具有很强的非线性逼近、

自学习和自适应、数据融合以及并行分布处理等能力，在多变量、强非线性系统的辨识、建模和控制中有明显的优势和应用前景。另一类结构智能控制是指采用诸如磁（电）流变液体、压电材料、磁（电）致伸缩材料和形状记忆合金等智能驱动器的主动控制或智能阻尼器的半主动控制。

3.结构减震控制的最新研究及未来发展趋势

从土木工程的结构减震的控制技术的发展情况来看，在耗能减震与基础隔震方面的研究是比较多的，且方法和理论是较为成熟的，已经在大部分的实际工程之中来有效地加以应用，今后将向更加实用化以及规范化的方向发展。地震波的频谱特性与被动调谐质量减震装置的减震效果紧密相连，对于不同的地震波表现出来的是一个比较大的离散性，其减震的效果的差别是比较大的。隔震技术的成熟促使人们对目前的设计规范进行进一步的反思，现今的抗震设计规范是建立在已经有的地震经验的基础之上的。

展望今后一个时期内，以下几个问题将是持续研究的热点课题：（1）结构控制中建模与模型简化；

（2）确定反馈与控制增益最优关系的控制算法；

（3）实现半主动控制力的作动器装置；

（4）结构控制系统的数值仿真与试验验证；

（5）结构控制系统的工程应用；

（6）传感器和作动器的优化配置；

（7）结构控制的弹塑性非线性问题；