结构半主动振动控制现状研究综述

结构半主动振动控制现状研究综述

发表时间：2018-07-23T16:33:28.490Z 来源：《知识-力量》2018年8月中作者：侯芳园

[导读] 近年来，结构振动控制系统受到了非常广泛的关注，同时在研究方面也取得了很大的进步，并且在很多的大型建筑中对于振动控制的应用已经非常普遍。

（华北理工大学，河北唐山 063210）

摘要：近年来，结构振动控制系统受到了非常广泛的关注，同时在研究方面也取得了很大的进步，并且在很多的大型建筑中对于振动控制的应用已经非常普遍。振动控制系统的工作原理是通过消耗地震带给结构的振动能量，使得结构的动力反应不断的减轻，从而能够很好的保护建筑结构本身不收损害。半主动控制是通过外界输入很小的能量，降低了建筑结构的速度和加速度的峰值，以获得控制效果。关键词：结构振动控制系统；半主动控制；振动能量；

传统的抗震方法一般是采用这三种方法：增加建筑结构的刚度、强度和延性，目前提高结构的强度、刚度最常用的方法是增加配筋量、增大构件的截面尺寸，这种方式导致的结果是：结构的刚度和强度增加了，但是地震动的响应也增加了。因而就需要更大尺寸的截面和更多的配筋，这样就形成了恶性循环，这种传统方法不仅使建筑物的造价大大的增加，而且建筑结构本身也不安全。违反了建筑结构的经济性和安全性[1]。结构的振动控制是一种既安全又经济的方法。可以有效地解决传统的抗震中存在的问题。

结构振动控制的分类根据是否需要外部能源的输入，大体上分为三种：被动控制、主动控制、半主动控制。被动控制是指不需要外部能源的输入，通过结构自身的某些构件、主体结构与外部设置的减震装置之间的相互作用来消耗地震能量。主动控制是需要外部能量的输入，当结构本身受到外部地震振动烦人激励作用时，控制系统会瞬时做出反应，施加反向控制力来改变结构的动力特性。半主动控制的方式与主动控制相似，但半主动控制系统需要很小的能量就可以实现对振动的控制。

结构振动控制概念起源于美国和日本土木工程界，1924 年，日本学者鬼头健三郎在河合浩藏基础隔震思想指导下，提出了首个用于建筑结构的基础轴承隔震方案[2]。美国学者 Kelly和 Eidinger 在 1978 年对叠层橡胶支座隔震方法及相关技术[3]进行了研究，至此，基础隔震技术走向成熟，并进入了蓬勃发展的新阶段[4]。1972 年，美籍华人 Yao[5]在现代控制理论思想影响下，首次提出了土木工程结构振动控制的概念，由此开创了结构振动主动控制研究的新里程。在我国，刘季、宋根由和田石柱等人率先展开了结构振动主动控制的实验研究，完成了5 层 1：4 模型框架的主动质量阻尼系统振动控制实验[6]。欧进萍等人在 2001 年、2002 年对海洋平台振动的主动质量阻尼系统主动控制技术的可行性与有效性进行了相关研究，并进行了原型平台结构冰致振动和地震反应的主动质量阻尼系统控制仿真分析以及 1：10 模型平台结构主动质量阻尼系统[7]。

半主动控制系统包括变刚度控制系统和变阻尼控制系统。这两种系统研究已经有了很大的进步，但依然存在不少问题待解决。例如变刚度控制系统：

(1)普通的变刚度控制系统，其抑振的频带较窄,导致了其适用范围受到局限：变刚度控制系统是从动力学避免共振的角度出发,从理论上来说，该系统对振动控制能够有很好的效果。但事实上，由于建筑结构的每一层之间的刚度都比较大，因此即使是每层都安装该装置，其可以调整的频带宽度仍是十分有限，改变结构周期的频带范围是很小的，因此减振效果会受到极大限制。

(2)采用开关控制对于结构的加速度反应并没有起到很好的抑制作用：在地震激励作用下，如果采用开关控制，变刚度控制系统在抑制结构的位移反应方面效果比较好，但是对加速度反应的抑制则不理想，甚至是完全不利的。

变阻尼系统：

(3)变阻尼控制系统的效果相对而言更加依赖与地面运动特性,该系统与无控状况相比，对减小结构的动力反应有显著的效果。但与被动阻尼控制相比较，它在结构远离共振时才有效果。

(4)变阻尼控制系统可同时将位移峰值和加速度峰值有效的减小，但必须在结构动力反应远离共振的情况下，但是此时结构反应较小,导致结构相比较在共振时候所需实施控制的必要性大大降低。

半主动控制在目前的应用与发展方面已经有了明显的进步，但是面临和需要解决的问题仍然很多。半主动控制发展的方向：1)半主动控制装置价格相对较贵，因此需要设计功能强大、实用性能好、价格低廉的装置，还需有一定的行业标准；2)在半主动控制装置中要更近一步使用智能材料；3)基于随机振动理论的结构时变和非线性半主动控制的研究；4)结构主动控制技术推广应用的关键是控制系统的可行性、稳定性、耐久性和经济性；5)半主动控制技术在多维地震动的研究中,由于结构的刚度、质量的不均匀分布导致控制产生的扭转振动问题；6)研究半主动控制律，使得控制更成熟、更稳定、鲁棒性更强；7)半主动控制的时滞处理方法以及传感器与振动器的数量及位置最优化研究；8)半主动控制系统的试验研究,受控结构体系的室内地震模拟试验研究,建立标准试验规程和评价系统性能的指标；9)与半主动控制在线监测、系统识别和控制计算相关的人工智能、神经网络及模糊理论的研究；10)结构振动半主动控制系统商业软件的开发和与现有抗震设计程序接口问题的研究；11)由于设置控制装置所产生的控制力,引起半主动控制部位局部受力问题的研究。

半主动控制系统的特点是需要输入很小的能量、装置简单、运行稳定且与主动控制减振效果较为接近,因而在未来将会非常广泛的应用与建筑结构中。

参考文献

[1]罗慧. 村镇砌体结构住宅隔震构造研究[D]. 长安大学, 2013.

[2]欧进萍, 结构振动控制: 主动, 半主动和智能控制[M]. 科学出版社, 2003.

[3]Eidinger J M, Kelly J M. Experimental results of an earthquake isolation system using natural rubber bearings[M]. Earthquake Engineering Research Center, 1978.

[4]唐家祥. 工程结构基础隔震技术的发展和应用. 第二届全国结构减震控制学术会议论文集, 武汉, 1992. 9-38 .

[5]Yao J T. Concept of structural control[J]. Journal of the Structural Division, 1972, 98(st 7).

[6]欧进萍. 结构振动控制:主动、半主动和智能控制. 第一版. 北京东黄城根北街16 号: 科学出版社, 2003. 5~40 .