浅谈建筑结构振动控制技术

浅谈建筑结构振动控制技术

作者：翟永兵

来源：《智富时代》2018年第03期

【摘要】近年来，随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的日益提高，同时也带动了我国建筑工程的快速发展，而在建筑工程结构振动控制技术中，传统的抗震结构体系是通过加强结构本身的性能从而达到“抗御”地震的目的。土木工程结构振动控制有利于降低结构在地震、流水、海浪、风、车辆等动力作用下结构所造成的损伤，能够有效地将结构抗震防灾能力相对增强。结构控制引起了世界各国地震工程界的广泛重视，是一种新型的结构抗震技术。但这种方法的作用与安全性相对是较低的，所以在这种不确定性的地震作用下，结构的安全性能并不能得到充分的保障，最后产生倒塌或遭到严重破坏，造成人员伤亡与巨大的经济损失。本文就建筑工程结构振动控制技术进行分析，并对其的发展进行讨论。

【关键词】建筑工程；震动控制；发展

一、结构控制的特点、发展与现状

（一）按控制对能量需求来划分

从控制对外部能量需求的角度，结构控制可分为：被动结构控制、主动结构控制、混合结构控制、半主动结构控制。除被动控制外，其他三种控制方式中的控制力全部或部分地根据反馈信号按照某种事先设计的控制律实时产生。主动结构控制效果较好，对环境有较强的适应力，但完全依赖外部能源，闭环稳定性比其他方式差。在被动控制中，控制力不是由反馈产生的。其主要优点是；成本低、不消耗外部能量、不会影响结构的稳定性；缺点是：对环境变化的适应力与控制效果不如其他方案。混合控制是指用主动控制来补充和改善被动控制性能的方案。由于混合了被动控制，因此减小了全主动控制方案中对能量的要求。半主动控制中通常包含某种对能量需求很低的可控设备，如可变节流孔阻尼器等作用时所需的外部能量通常比主动控制小得多。因此初步研究表明混合控制与半主动控制的性能大大优于被动控制，甚至可达到或超过主动控制的性能，并在稳定性与适用性方面要优于后者，因此成为当前研究的一个热点。

（二）按结构特性划分

从被控结构的特性划分，结构控制可分为柔性结构控制与刚性结构控制。其中柔性结构包括大型柔性空间结构、大跨度桥梁等；刚性结构则包括武器系统中稳定平台、车辆悬挂系统、多刚体机器人等。对于两类结构控制所用的主动控制设备也不相同，如在柔性结构控制中传感器与执行器常用的智能材料是分布智能材料，如压电材料；而刚性结构控制中传感器与执行器常用的智能材料是电智能材料，如磁致伸缩材料。

（三）按控制效果要求划分

精度要求是根据不同的应用而定的。不同的指标决定了不同的控制。如稳定平台，控制目的是消除振动，使平台系统尽可能保持稳定，而在土木结构中，控制目的是减少振动和保证安全，并不要求完全消除振动。

在高精度应用中常采用精密的智能结构，如Stewark六自由度稳定平台，采用T erlenol_D 材料，在尺寸与重量方而都较小，在控制器设计时常采取比较复杂的控制策略，以求达到高的控制效果，比如微米级或纳米级精度，而相对地，对控制能量要求不大。相反在一些低精度结构控制中由于被控结构特点往往超大尺寸，超大重量，如高层建筑，控制律则要相对简单，高可靠性，低控制能量。

二、振动控制发展现状

根据控制时是否需要外加能源，结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。近20年来，被动控制、主动控制和半主动控制已成为结构振动控制的主要方法。其中被动控制的发展相对成熟，主动控制、混合控制和半主动控制仍处于研究阶段。

（一）被动控制

1、基础隔震

基础隔震是通过减隔震装置延长整个结构体系的自振周期，减小输入上部结构的地震能量，达到预期防震的要求。基础隔震是一种有效的工程抗震新技术，地震时能保护建筑结构物和内部设备、设施安全。

2、消能减震

消能减震技术是在结构中设置消能装置，通过其局部变形提供附加阻尼，以消耗输入上部结构的地震能量，达到预期设防要求。

3、被动调谐减振

被动调谐减振控制系统是由结构和附加在主结构上的子结构组成。附加的子结构具有质量、刚度和阻力，因而可以调节子结构的自振频率，使其尽量接近主结构的基本频率或激振频率，这样当主结构受激振而振动时，子结构就会产生一个与主结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上，使主结构的反应衰减并受到控制。

（二）主动控制

振动主动控制是需要外界提供能源实现振动控制的一种方法，对振动主动控制的研究始于20世纪50年代末，随后得到了迅速发展，取得了丰富的理论研究成果，并成功应用于航天结构振动控制、土木工程结构抗震、高速车辆隔振及其它机械设备振动控制中。

（三）半主动控制

半主动控制为少量外加能源的控制，其控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调整自身的参数。从而起到调节控制力的作用。

（四）混合控制

混合控制系统在结构上同时施加主动和被动控制，作为整体分析其响应，以克服纯被动控制的应用局限，减小控制力同时减小外部控制设备的功率、体积、能源和维护费用，增加系统的可靠性。将主动控制和被动控制联合应用，可以充分发挥两种控制系统的优点，克服各自的缺点，只需很小的能量输入即可达到较好的控制效果。

三、结构振动控制发展趋势及展望

近年来结构的抗震、减振设计概念经历了很大的飞跃，受到了许多领域的专家和学者的高度关注，由被动控制到主动控制，由主动控制到半主动控制和混合控制，进一步向智能化的方向发展，研究对象也从以前的理想状态向实际结构靠近、非线性模型、滞后效应、不确定性因素都逐渐被考虑在内。虽然在理论上和实际应用上已经取得了不少新的成就，但仍存在许多问题有待深入探讨研究：

1、结构控制设计研发寻求耗能少、造价低、构造简单、施工方便、可靠性大的被动控制和主动控制系统控制装置；

2、被动控制装置系统技术已经较为成熟同时在实际工程中已经取得了应用效果，应将其进行系统整理，使其逐步实用化、规范化，以推动其在工程实践中的广泛应用；

3、建立研究结构延性耗能构件的力学模型，通过确定延性耗能构件的强度、耗能指标、受力特性、截面特征、配筋方式及数量等参数的定量关系，进而对附有延性耗能构件的整体结构进行分析，研究出含有新型合理控制装置的结构体系；

4、加强关于混合控制和半主动控制装置的试验研究及工程试点建筑研究，理论分析的试验结果有时会与实际情况存在较大误差，通过试点建筑研究可以检验和保证控制装置的可靠性及实际控制效果，以期达到实用化要求；

5、关于半主动控制和主动控制装置的实验研究以及作动器、传感器的数量、位置和控制参数的优化研究，达到结构振动控制的最理想效果，以实现结构控制“智能化”的要求。