土木工程結構振動(dòng)控制的研究現狀與展望建筑工程論文
摘 要：近年來(lái)，我國土木工程行業(yè)發(fā)展迅速，且為推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了較大貢獻。為了進(jìn)一步提高土木工程結構的穩定性和抗震性，文章以土木工程結構的振動(dòng)控制作為主要研究對象，通過(guò)對其概念進(jìn)行闡述，進(jìn)而對其研究現狀展開(kāi)了詳細的論述和分析，并對其在未來(lái)的發(fā)展方向予以全面展望。
關(guān)鍵詞：土木工程結構；振動(dòng)控制；主動(dòng)控制；被動(dòng)控制
隨著(zhù)地震災害的頻繁發(fā)生，傳統的基于構件承載與變形能力消耗地震能量的抗震方法已難以適應土木工程的抗震能力的新要求，在此背景下，作為現代控制理論中的重要組成部分，振動(dòng)控制理論被引入土木工程結構的抗震研究領(lǐng)域當中，較好地提高了工程的穩定性與抗震性。
1 土木工程結構的振動(dòng)控制概述
土木工程結構的振動(dòng)控制即，將隔振墊等相關(guān)裝置或消能支撐和剪力墻等整體構件安置在結構的特定部位，在風(fēng)火地震的作用下，使整體結構能夠得到合理控制并確保結構自身及其內部人員與設備處于安全狀態(tài)的一種振動(dòng)控制技術(shù)。就現階段而言，關(guān)于土木工程結構振動(dòng)控制的研究主要包括了被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和混合控制。
2 主動(dòng)控制
土木工程結構的主動(dòng)控制裝置包括儀器測量系統以及控制和動(dòng)力驅動(dòng)系統，其中，儀器測量系統主要負責對結構的動(dòng)力響應和外部傳達的激勵信息進(jìn)行測量，控制系統負責對儀器測量系統所傳遞的測量信息進(jìn)行處理，在實(shí)現控制律的同時(shí)，輸出相應的動(dòng)力驅動(dòng)系統指，而動(dòng)力驅動(dòng)系統在制定驅動(dòng)下產(chǎn)生控制力，其所需的能量來(lái)源大都由外部能源結構予以攻擊，從而經(jīng)輔助子結構將控制力作用在受控結構處，達到抗振目的。
目前，主動(dòng)控制主要分為兩種類(lèi)型，首先，是控制力型，其裝置主要包括主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統與支撐系統、主動(dòng)拉索系統以及氣體脈沖發(fā)生器和主動(dòng)空氣動(dòng)力擋風(fēng)板系統�；诳刂屏π偷闹鲃�(dòng)控制是借助外部能源，當土木工程結構受到激勵而產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，向結構施加相應的控制力，促使結構受振動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)反應能夠迅速得到有效控制。
其次，是基于結構性能可變型的主動(dòng)控制技術(shù)，此類(lèi)主動(dòng)控制主要利用外界的激勵信息和土木工程結構的動(dòng)力響應對其內部的各類(lèi)參數進(jìn)行調節和變更，旨在以較少的能量對控制系統的形態(tài)予以改變，從而促使結構動(dòng)力特性發(fā)生變化減輕其振動(dòng)相應。與基于控制力型的主動(dòng)控制相比，結構性能可變型控制具有所需外部能量小、系統結構維護要求低和易于實(shí)施與成本較低等優(yōu)勢，在控制效果方面也與控制力型的主動(dòng)控制方法相接近，故此種主動(dòng)控制技術(shù)具有更高的研究、使用和推廣價(jià)值。磁流與電流變液態(tài)阻尼器在結構性能可變型控制中也得到了部分應用，且取得了良好的抗振效果。
3 被動(dòng)控制
借助相應裝置、機構或種子結構對土木工程結構的系統動(dòng)力響應予以改變，從而促使其具備隔離、調諧以及耗能與吸能減震振功能的控制技術(shù)。主要包括了隔振以及耗能減振與吸能減振三種。其中，隔振即將隔振裝置安置在建筑物基礎與上部結構之間，并利用隔振裝置使地震所傳遞的能量大幅削減，進(jìn)而使地震對上部結構的作用與隔振部位自身的變形得到良好控制。
在耗能減振方面，主要是通過(guò)將阻尼等耗能機構安置在工程的支撐、剪力墻和節點(diǎn)等相關(guān)結構處，借助相關(guān)耗能機構產(chǎn)生摩擦和彎曲彈塑性滯回變形耗能從而達到對地震能量進(jìn)行耗散的目的。此種被控控制的原理在于，通過(guò)引入耗能機構，從而為土木工程結構提供較大阻尼，當發(fā)生地震時(shí)，其便產(chǎn)生蘇醒屈服與摩擦滑動(dòng)，從而克服阻尼力做工，對輸入結構中振動(dòng)能進(jìn)行大幅消耗。
吸能減震則通過(guò)將種子結構置于結構當中，促使其振動(dòng)產(chǎn)生位移，并在位移中使原結構與子結構所產(chǎn)生的振動(dòng)能得以重新分配，進(jìn)而減小土木工程整體結構的振動(dòng)。當前，應用在土木工程結構中的吸能減振裝置主要包括調諧液體阻尼器和質(zhì)量阻尼器、懸掛結構體系以及擺式質(zhì)量阻尼器和液壓質(zhì)量控制系統，此外，屋面水箱亦可在地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生相應減振效果，故可將其充當調諧質(zhì)量阻尼器。
4 混合控制
由主動(dòng)控制與被動(dòng)控制結合而成的土木工程結構控制系統兼具主動(dòng)與被動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，其借助被動(dòng)控制對地震向結構施加的振動(dòng)能量予以耗散，并利用主動(dòng)控制確保結構控制能夠獲得良好效果，故具有良好的應用價(jià)值。還需說(shuō)明的是，此種控制方法在土木工程結構中同時(shí)施加主動(dòng)與被動(dòng)控制，從整體行對其受地震激勵作用的相應進(jìn)行分析，在克服單一被動(dòng)控制應用局限性的同時(shí)，促使控制力得到有效減小，降低了系統對外部控制設備功率和體積的需求，從整體上提高了土木工程結構振動(dòng)控制系統的經(jīng)濟性與可靠性。就現階段而言，土木工程結構的混合控制系統主要包括了基于主動(dòng)控制與耗能裝置相結合的控制系統以及主動(dòng)控制和基礎隔振裝置相結合的控制系統。此外，模糊半主動(dòng)控制策略在智能復合隔振系統系統中實(shí)施也較好地提高了土木工程結構的智能化控制水平，通過(guò)將被動(dòng)隔振墊同磁流變液態(tài)智能阻尼器進(jìn)行并聯(lián)連接，從而使得系統能夠有效減小建筑物隔振層位移和各層間的相對位移，具有良好的隔振效果。
5 土木工程結構振動(dòng)控制展望
結合既有的土木工程結構振動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展情況，其今后的發(fā)展趨勢為：（1）以能量回收為基礎的土木工程結構振動(dòng)控制。發(fā)生地震時(shí)，外界能量供給并不易得到良好保障，從而影響控制系統的應用效果，而以能量回收為基礎的結構振動(dòng)控制則能夠較好地解決此類(lèi)問(wèn)題，通過(guò)引入高校的回收振動(dòng)能量技術(shù)，并融入能量平衡理論，從而獲得良好的控制效果。（2）消除地鐵、有軌電車(chē)等交通設施對土木工程結構的垂直振動(dòng)影響，此方面研究室三維隔振技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，對于城市建筑物，需要加大對更為有效的三維隔振裝置的研究力度，從而消除相關(guān)交通設施對建筑物施加的振動(dòng)作用。
6 結語(yǔ)
本文通過(guò)對土木工程結構的振動(dòng)控制概念進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，進(jìn)而從主動(dòng)控制、被動(dòng)控制和混合控制三方面對其結構振動(dòng)控制的相關(guān)技術(shù)做出了系統探析，并給出其結構振動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展方向。研究結果表明，土木工程的結構振動(dòng)控制技術(shù)對于提高其抗振性與穩定性具有至關(guān)重要的作用，未來(lái)，還需進(jìn)一步加強對振動(dòng)控制技術(shù)的研究與應用，從而促使土木工程結構與其內部人員的安全性得以全面提升。
參考文獻
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