土木工程中的減震控制論文
1概述
目前，對于地震還不能做出準確的預報，所以地震常常具有突發(fā)性和隨機性的特征而給人們的生活帶來(lái)極大的破壞作用，所產(chǎn)生的后果極其嚴重。所以在土木工程建設施工過(guò)程中進(jìn)行抗震設計是必不可少的一項工作，也是降低地震損失的有效措施。在過(guò)去進(jìn)行結構減震設計時(shí)主要是依靠增加結構它自身的強度以及變形能力來(lái)增強抗震能力。舉例來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)選擇合適的塑性鉸的位置以及仔細設計構件的細部構造來(lái)保證結構的整體性以及制止倒塌的發(fā)生。然而這種方法不可避免的會(huì )對結構構件產(chǎn)生極大的損傷。因此，在現代的土木工程當中，減震控制方法主要是使用隔震、耗能、施加外力以及調整結構動(dòng)力特性這些方法來(lái)消減結構地震反應，進(jìn)而可以保證結構其本身的安全。
2現代土木工程中結構減震控制的主要方法
2.1被動(dòng)控制方法。
所謂的被動(dòng)控制方法，就是不需提供外部能量，而是通過(guò)減震以及隔震裝置來(lái)使得振動(dòng)能量消耗，并且阻止振動(dòng)在結構之中的傳播。這種方法因其具有構造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于維護以及不需要外界能源支持等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應用。被動(dòng)控制主要是進(jìn)行基礎隔震和耗能減震�；A隔震就是在上部結構以及基礎之間設置水平柔性層，從而使結構側向振動(dòng)的基本周期延長(cháng)，進(jìn)而減小水平地震地面運動(dòng)對上部結構的作用�；A隔震的研究核心是研究開(kāi)發(fā)出性能卓越并且價(jià)格低廉的隔震裝置。早在20世紀70年代末就提出了疊層橡膠支座隔震的方法，自此技術(shù)之后，開(kāi)啟了結構基礎隔震發(fā)展的黃金時(shí)期。在之后的發(fā)展過(guò)程中，先后開(kāi)發(fā)出一批應用廣泛的隔震裝置，比如夾層橡膠墊隔震裝置、鉛塞滯變阻尼器隔震裝置、粉粒墊層隔震裝置、基底滑移隔震裝置、鋼滯變阻尼器隔震裝置、懸掛基礎隔震裝置以及混合隔震裝置等等。在現階段，基礎隔震的使用已經(jīng)相當廣泛，隔震結構的分析、設計方法也日益成熟。從世界范圍來(lái)看，已經(jīng)有成千上萬(wàn)座隔震建筑以及橋梁建設完工，這些工程在實(shí)際的地震經(jīng)歷當中，都表現出了良好的減震效果。耗能減震則是在結構中設置非結構構件的耗能元件，其減震原理是這樣的：在結構振動(dòng)的作用之前，耗能元件可以被動(dòng)地往復相對變形或者在耗能元件之間產(chǎn)生往復運動(dòng)的相對速度，通過(guò)這個(gè)方式能夠消散結構振動(dòng)的能量，進(jìn)而減輕結構的動(dòng)力反應。目前，已經(jīng)研究發(fā)展起來(lái)的耗能裝置通常有金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器、粘滯阻尼器、調諧質(zhì)量阻尼器以及復合型耗能器等等。結構耗能減震從某種程度上來(lái)說(shuō)，是能夠經(jīng)得住地震的考驗的。我國現在就有幾十余座新建或者加固的被動(dòng)耗能減震建筑，例如上海的明珠電視塔和珠海的金山大廈都是采用耗能減震技術(shù)的典范。
2.2主動(dòng)控制方法。
與被動(dòng)控制相對應的就是主動(dòng)控制，這種控制方法的理論基礎是現代控制理論，在這種理論的指導下對結構反應或者環(huán)境干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和預測，并且在精確的結構模型基礎之上使用和決策的最優(yōu)控制力。這種控制方法通過(guò)作動(dòng)器來(lái)對結構施加控制力，從而減小將會(huì )有效的抑制結構的動(dòng)力反應。主動(dòng)控制的類(lèi)型有開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。對主動(dòng)控制的研究主要包括兩個(gè)方面，一是主動(dòng)控制算法的運用處理，二是主動(dòng)控制裝置的開(kāi)發(fā)與應用。結構主動(dòng)控制算法依然是使用現代控制理論之中的算法作為依據，然后根據土木工程結構自身的特點(diǎn)而做出一些特殊的處理。目前，廣泛使用的主動(dòng)控制算法有：經(jīng)典線(xiàn)性主要有最優(yōu)控制法、瞬時(shí)最優(yōu)控制法、隨機最優(yōu)控制法、極點(diǎn)配置法、預測控制法、滑動(dòng)模態(tài)控制法、模糊控制法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制法。結構主動(dòng)控制的研究主要涉及到控制理論、隨機振動(dòng)、結構工程、材料科學(xué)、機械工程、計算機科學(xué)、振動(dòng)測量、數據處理以及自動(dòng)控制技術(shù)等等，具備一定的綜合性。當前，它的研究主要是使用理論分析以及數據模擬分析作為主要方法。雖然主動(dòng)控制的研究取得了一定的成就，但是主動(dòng)控制技術(shù)并不完全成熟。從現有研究來(lái)看，主動(dòng)控制技術(shù)在可行性上還存在一定的限制因素。主要集中表現在四個(gè)方面：1）主動(dòng)控制系統在地震之中運作的問(wèn)題。日本是一個(gè)地震多發(fā)的國家，在抵御地震侵襲的同時(shí)也積累了很多獨到的經(jīng)驗。他們發(fā)現在地震之時(shí)，很大一部分主動(dòng)控制系統因為故障而不能正常運作；2）時(shí)滯方面的問(wèn)題。主動(dòng)控制系統在工作的時(shí)候，因為在信號處理、運算、電液伺服等動(dòng)作都需要相應的時(shí)間，因此產(chǎn)生了時(shí)間滯后這個(gè)不可避免的問(wèn)題。目前提出了使用通過(guò)補償的方法來(lái)使時(shí)滯得到有效的改正；3）能量問(wèn)題。主動(dòng)控制系統的運作主要是依靠外部能源的輸入，而在地震之中確保能源的相對可靠成為值得思考的關(guān)鍵問(wèn)題；4）設備維護的問(wèn)題。通常生命線(xiàn)工程的大跨度橋梁的使用壽命是幾十年，有的甚至要達到上百年，與此同時(shí)，主動(dòng)控制系統也要在這段時(shí)間之內保持功能的完備。如何確保系統的完善，尤其是作為核心構件的計算機，其使用性能的保障工作成為亟待解決的問(wèn)題之一。
2.3半主動(dòng)控制方法。
介于被動(dòng)控制和主動(dòng)控制之間，還存在半主動(dòng)控制方法，這種方法主要是使用少量外部能量或者是不需要外部能量，還可以通過(guò)對控制系統之中結構參數的實(shí)時(shí)調整來(lái)控制結構動(dòng)力的反應。半主動(dòng)控制方法既有被動(dòng)控制系統的可靠性，同時(shí)又具備主動(dòng)控制系統的超強適應性，而且造價(jià)比較合適，因此在未來(lái)的使用上具有相當廣闊的發(fā)展前途。半主動(dòng)控制主要包括兩種類(lèi)型：主動(dòng)變剛度控制系統和主動(dòng)變阻尼控制系統。主動(dòng)變剛度系統主要是通過(guò)主動(dòng)變剛度控制裝置來(lái)使得受控結構的剛度在每一個(gè)采樣周期之內依據外荷載的頻譜特性而在不同的剛度值之間進(jìn)行切換，這樣則可以使得受控結構在每一采樣周期之內都可以遠離共振狀態(tài)，實(shí)現減振的目的。上世紀末日本就通過(guò)實(shí)踐證明了半主動(dòng)控制在中小地震中的突出作用，這種控制顯示出了較好的控制效果。主動(dòng)變阻尼控制系統則是通過(guò)控制裝置來(lái)使受控結構的阻尼可以在每一采樣周期之內獲得不同的阻尼狀態(tài)之間來(lái)進(jìn)行切換，從而達到減震的目的。不難看出，半主動(dòng)控制方法結合了被動(dòng)控制結構以及主動(dòng)控制結構的優(yōu)點(diǎn)，可以依據結構的反應同外界的干擾狀態(tài)來(lái)控制結構。這種控制需要由電池提供的能量來(lái)操作控制設施，這樣就能夠有效避免主動(dòng)控制在大地震來(lái)臨之時(shí)無(wú)法辦得到能量支持的劣勢。半自動(dòng)控制需要的控制設施既經(jīng)濟又可靠，同時(shí)對于維護的要求也不高，綜合以上有點(diǎn)，半主動(dòng)控制成為當前世界范圍之內廣泛被業(yè)界所接受的土木工程結構減震的控制方法。綜上所述，現代土木工程中結構的減震控制作為一個(gè)交叉的學(xué)科，仍然還有很多問(wèn)題值得研究和規范。雖然減震控制技術(shù)在當前的土木工程之中并沒(méi)有得到較廣泛的應用，但是因為其在土木工程應用中具備的明顯優(yōu)勢，在未來(lái)的建筑中一定會(huì )得到廣泛的接納和發(fā)展，減震控制技術(shù)必將日趨成熟。
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