浅谈土木工程中结构振动控制的种类

　　摘要：本文就土木工程中结构振动控制的种类，做了简单陈述和解释，对结构控制在地震中充分应用得以详细的阐述，是我们初步认识了结构振动控制在土木工程的应用。
　　关键词：土木工程,结构振动,控制,种类
　　
　　在土木工程中结构控制的概念是在1972年由美国学者J.T.P.Yao教授首先提出来的。许多学者已经在结构控制方式和结构控制设计计算方法等方面做了大量理论和实践工作，使得结构控制技术有了很大发展。结构控制主要可分为、被动消耗减震、主动控制、半主动控制、混合控制和智能控制。
　　1、 基础隔震
　　基础隔震就是在上部结构与基础之间设置某种隔振消能装置，以减小地震能量向上部的传输，从而达到减小上部结构振动的目的。随着地震工程理论的逐步建立以及实际地震对结构工程的进一步考验，特别是近二三十年来，由于采用大量的强震记录仪对地震进行观测，使人们较快地积累了有关隔震及非隔震结构工作性能的定量化经验，从而对早期提出的一些隔震方法进行了淘汰与升华．其中叠层橡胶垫基础隔震体系被认为是隔震技术迈向实用化最卓有成效的体系．
　　1984年新西兰建造了世界上第一幢以铅芯叠层橡胶垫作为隔震元件的4层建筑物。80年代以来，基础隔震研究开始在我国得到重视，国内不少学者对国际上流行的基础隔震体系进行了研究，取得了较大的进展．现在，我国已建造了2000余幢各类基础隔震体系的建筑物，有叠层橡胶垫隔震体系、砂垫层滑移摩擦体系、石墨砂浆滑移体系、悬挂隔震结构体系等，其中绝大多数采用的是粘结型叠层橡胶垫隔震体系．现代隔震技术经历了30年的历程，得到了广泛的应用，目前隔震技术的应用程度在日本等国家，已经成为建筑的主导；我国将在2012年（在应用面积上）首次超过日本。
　　2、 被动消耗减震
　　被动消耗减震是一种不需要外部能源的结构控制技术，一般是指在结构的某些部位附加耗能装置或子结构系统，或对结构自身的某些构件上的处理以改变结构体系的动能特性，消耗地震传递给主结构的能量，达到减小结构震动的目的。被动减震方法有耗能减震，冲击减震和吸震减震。阻尼器消能减震体系：在结构的某些部位（支撑杆件、剪力墙与边框联结处、梁柱节点处等）装设阻尼器（软钢阻尼器、挤压铅阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器等）。在强地震时，结构物这些部位发生较大变形，从而使装设在该部位的阻尼器有效的发挥消能作用。
　　3、 主动控制
　　主动控制需要外加能源，又称有源控制。主动控制需要实时测量结构反应或环境干扰，采用现代控制理论的主动控制算法在精确的结构模型基础上运算和决策最优控制力，最后作动器在很大外部能量输入下实现最优控制力。主动控制的研究最初主要基于古典控制理论和模拟控制线路；随着电子计算机技术的广泛应用，结构主动控制逐步转向以现代控制理论为基础的数字控制。主动控制研究主要包括主动控制算法和主动控制装置研究两部分。适用于土木工程结构的主动控制算法主要有二次型线性最优控制、独立模态最优控制、预测最优控制、脉冲控制、和最优控制、滑动模态控制、自适应控制和非线性反馈最优控制等；主动控制装置主要有：主动质量阻尼器、主动质量驱动器、主动可变刚度系统、主动锚索控制系统、主动支撑系统、气体脉冲发生器、空气动力挡风板等。
　　4、半主动控制
　　半主动控制的原理与结构主动控制基本相同，只是实施控制力的作动器需要少量的能量调节便可以使其主动地利用结构振动的往复相对变形或相对速度，尽可能实现主动最优控制力。半主动控制的主要特点之一是外部能量的需要量小于主动控制。半主动控制一般以被动控制为主，它仅需少量能源用于改变被动控制系统的参数或工作状态，以适应系统对最优状态的跟踪。初步分析表明，半主动控制装置的减振效果优于被动控制，在某些方面优于主动控制，具有较大的发展潜力。目前，较为典型的半自动控制装置有：可变刚度系统、可变阻尼系统、主动调谐参数质量阻尼系统、可控摩擦式隔振系统。
　　5、 混合控制
　　混合控制就是将两种以上的控制系统结合起来控制结构的振动反应。这种控制系统充分利用了被动控制和主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统大量耗散震动能量，又可以利用主动控制系统来保证控制效果，比单纯的主动控制能节省大量的能量，因此有着良好的工程应用价值。被动装置简单易行，但控制效果受到限制；主动控制效果显著，但有时由于控制力过大或成本太高而无法实现。混合控制可以利用两种系统各自的优点，拓宽了控制系统的应用范围、既保证了控制效果又降低了控制力。混合控制装置主要有：主动质量阻尼控制和调谐质量阻尼器混合控制系统、主动控制质量阻尼器和基础隔震相结合的混合控制、调频液体阻尼器和主动质量阻尼器的混合控制、液压阻尼系统和主动质量阻尼器的混合控制系统等，我国的南京电视塔也采用了主动质量阻尼器（AMD）与被动调谐液体阻尼系统（TLD）相结合的混合控制体系来控制结构的风振反应。
　　6、 智能控制
　　结构智能控制系统以智能材料和器件的应用为突出标志。可用于制作控制装置的智能驱动材料主要有电(磁)流变液体、形状记忆合金、压电材料、磁滞伸缩材料、可收缩膨胀聚合胶体等。结构智能控制系统主要有结构磁流变阻尼控制系统、结构压电驱动和压电变摩擦阻尼控制系统、结构形状记忆合金(SMA)驱动和阻尼控制系统等。目前代表性的智能阻尼器主要有磁流变液阻尼器和压电变摩擦阻尼器。磁流变液阻尼器已经应用于日本一座博物馆建筑地震控制、Keio大学的一栋隔震居住建筑以及中国岳阳洞庭湖大桥多塔斜拉桥的拉索风雨振动控制
　　以上各种减震技术中基础隔震和被动耗能减震是目前发展比较成熟的结构控制技术。许多国家，如美国、日本，陆续出台了与之相应的规范或标准忙着标志着这些技术进入了推广应用的实用化阶段。我国在新修订的《建筑抗震设计规范》中也增加了隔震和消能减震的设计内容。

《浅谈土木工程中结构振动控制的种类》

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