翟永兵

【摘 要】近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平的日益提高，同時(shí)也帶動(dòng)了我國(guó)建筑工程的快速發(fā)展，而在建筑工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)中，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系是通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的性能從而達(dá)到“抗御”地震的目的。土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制有利于降低結(jié)構(gòu)在地震、流水、海浪、風(fēng)、車輛等動(dòng)力作用下結(jié)構(gòu)所造成的損傷，能夠有效地將結(jié)構(gòu)抗震防災(zāi)能力相對(duì)增強(qiáng)。結(jié)構(gòu)控制引起了世界各國(guó)地震工程界的廣泛重視，是一種新型的結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)。但這種方法的作用與安全性相對(duì)是較低的，所以在這種不確定性的地震作用下，結(jié)構(gòu)的安全性能并不能得到充分的保障，最后產(chǎn)生倒塌或遭到嚴(yán)重破壞，造成人員傷亡與巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文就建筑工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)其的發(fā)展進(jìn)行討論。

【關(guān)鍵詞】建筑工程；震動(dòng)控制；發(fā)展

一、結(jié)構(gòu)控制的特點(diǎn)、發(fā)展與現(xiàn)狀

（一）按控制對(duì)能量需求來(lái)劃分

從控制對(duì)外部能量需求的角度，結(jié)構(gòu)控制可分為：被動(dòng)結(jié)構(gòu)控制、主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制、混合結(jié)構(gòu)控制、半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制。除被動(dòng)控制外，其他三種控制方式中的控制力全部或部分地根據(jù)反饋信號(hào)按照某種事先設(shè)計(jì)的控制律實(shí)時(shí)產(chǎn)生。主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制效果較好，對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)力，但完全依賴外部能源，閉環(huán)穩(wěn)定性比其他方式差。在被動(dòng)控制中，控制力不是由反饋產(chǎn)生的。其主要優(yōu)點(diǎn)是；成本低、不消耗外部能量、不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；缺點(diǎn)是：對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)力與控制效果不如其他方案?；旌峡刂剖侵赣弥鲃?dòng)控制來(lái)補(bǔ)充和改善被動(dòng)控制性能的方案。由于混合了被動(dòng)控制，因此減小了全主動(dòng)控制方案中對(duì)能量的要求。半主動(dòng)控制中通常包含某種對(duì)能量需求很低的可控設(shè)備，如可變節(jié)流孔阻尼器等作用時(shí)所需的外部能量通常比主動(dòng)控制小得多。因此初步研究表明混合控制與半主動(dòng)控制的性能大大優(yōu)于被動(dòng)控制，甚至可達(dá)到或超過(guò)主動(dòng)控制的性能，并在穩(wěn)定性與適用性方面要優(yōu)于后者，因此成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

（二）按結(jié)構(gòu)特性劃分

從被控結(jié)構(gòu)的特性劃分，結(jié)構(gòu)控制可分為柔性結(jié)構(gòu)控制與剛性結(jié)構(gòu)控制。其中柔性結(jié)構(gòu)包括大型柔性空間結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁等；剛性結(jié)構(gòu)則包括武器系統(tǒng)中穩(wěn)定平臺(tái)、車輛懸掛系統(tǒng)、多剛體機(jī)器人等。對(duì)于兩類結(jié)構(gòu)控制所用的主動(dòng)控制設(shè)備也不相同，如在柔性結(jié)構(gòu)控制中傳感器與執(zhí)行器常用的智能材料是分布智能材料，如壓電材料；而剛性結(jié)構(gòu)控制中傳感器與執(zhí)行器常用的智能材料是電智能材料，如磁致伸縮材料。

（三）按控制效果要求劃分

精度要求是根據(jù)不同的應(yīng)用而定的。不同的指標(biāo)決定了不同的控制。如穩(wěn)定平臺(tái)，控制目的是消除振動(dòng)，使平臺(tái)系統(tǒng)盡可能保持穩(wěn)定，而在土木結(jié)構(gòu)中，控制目的是減少振動(dòng)和保證安全，并不要求完全消除振動(dòng)。

在高精度應(yīng)用中常采用精密的智能結(jié)構(gòu)，如Stewark六自由度穩(wěn)定平臺(tái)，采用T erlenol_D材料，在尺寸與重量方而都較小，在控制器設(shè)計(jì)時(shí)常采取比較復(fù)雜的控制策略，以求達(dá)到高的控制效果，比如微米級(jí)或納米級(jí)精度，而相對(duì)地，對(duì)控制能量要求不大。相反在一些低精度結(jié)構(gòu)控制中由于被控結(jié)構(gòu)特點(diǎn)往往超大尺寸，超大重量，如高層建筑，控制律則要相對(duì)簡(jiǎn)單，高可靠性，低控制能量。

二、振動(dòng)控制發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)控制時(shí)是否需要外加能源，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制。近20年來(lái)，被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制已成為結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的主要方法。其中被動(dòng)控制的發(fā)展相對(duì)成熟，主動(dòng)控制、混合控制和半主動(dòng)控制仍處于研究階段。

（一）被動(dòng)控制

1、基礎(chǔ)隔震

基礎(chǔ)隔震是通過(guò)減隔震裝置延長(zhǎng)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期，減小輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期防震的要求。基礎(chǔ)隔震是一種有效的工程抗震新技術(shù)，地震時(shí)能保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)物和內(nèi)部設(shè)備、設(shè)施安全。

2、消能減震

消能減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能裝置，通過(guò)其局部變形提供附加阻尼，以消耗輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期設(shè)防要求。

3、被動(dòng)調(diào)諧減振

被動(dòng)調(diào)諧減振控制系統(tǒng)是由結(jié)構(gòu)和附加在主結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)組成。附加的子結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量、剛度和阻力，因而可以調(diào)節(jié)子結(jié)構(gòu)的自振頻率，使其盡量接近主結(jié)構(gòu)的基本頻率或激振頻率，這樣當(dāng)主結(jié)構(gòu)受激振而振動(dòng)時(shí)，子結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與主結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向相反的慣性力作用在主結(jié)構(gòu)上，使主結(jié)構(gòu)的反應(yīng)衰減并受到控制。

（二）主動(dòng)控制

振動(dòng)主動(dòng)控制是需要外界提供能源實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制的一種方法，對(duì)振動(dòng)主動(dòng)控制的研究始于20世紀(jì)50年代末，隨后得到了迅速發(fā)展，取得了豐富的理論研究成果，并成功應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制、土木工程結(jié)構(gòu)抗震、高速車輛隔振及其它機(jī)械設(shè)備振動(dòng)控制中。

（三）半主動(dòng)控制

半主動(dòng)控制為少量外加能源的控制，其控制力雖也由控制裝置自身的運(yùn)動(dòng)而被動(dòng)的產(chǎn)生，但在控制過(guò)程中控制裝置可以利用外加能源主動(dòng)調(diào)整自身的參數(shù)。從而起到調(diào)節(jié)控制力的作用。

（四）混合控制

混合控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上同時(shí)施加主動(dòng)和被動(dòng)控制，作為整體分析其響應(yīng)，以克服純被動(dòng)控制的應(yīng)用局限，減小控制力同時(shí)減小外部控制設(shè)備的功率、體積、能源和維護(hù)費(fèi)用，增加系統(tǒng)的可靠性。將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制聯(lián)合應(yīng)用，可以充分發(fā)揮兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，克服各自的缺點(diǎn)，只需很小的能量輸入即可達(dá)到較好的控制效果。

三、結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制發(fā)展趨勢(shì)及展望

近年來(lái)結(jié)構(gòu)的抗震、減振設(shè)計(jì)概念經(jīng)歷了很大的飛躍，受到了許多領(lǐng)域的專家和學(xué)者的高度關(guān)注，由被動(dòng)控制到主動(dòng)控制，由主動(dòng)控制到半主動(dòng)控制和混合控制，進(jìn)一步向智能化的方向發(fā)展，研究對(duì)象也從以前的理想狀態(tài)向?qū)嶋H結(jié)構(gòu)靠近、非線性模型、滯后效應(yīng)、不確定性因素都逐漸被考慮在內(nèi)。雖然在理論上和實(shí)際應(yīng)用上已經(jīng)取得了不少新的成就，但仍存在許多問(wèn)題有待深入探討研究：

1、結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)研發(fā)尋求耗能少、造價(jià)低、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、可靠性大的被動(dòng)控制和主動(dòng)控制系統(tǒng)控制裝置；

2、被動(dòng)控制裝置系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)較為成熟同時(shí)在實(shí)際工程中已經(jīng)取得了應(yīng)用效果，應(yīng)將其進(jìn)行系統(tǒng)整理，使其逐步實(shí)用化、規(guī)范化，以推動(dòng)其在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用；

3、建立研究結(jié)構(gòu)延性耗能構(gòu)件的力學(xué)模型，通過(guò)確定延性耗能構(gòu)件的強(qiáng)度、耗能指標(biāo)、受力特性、截面特征、配筋方式及數(shù)量等參數(shù)的定量關(guān)系，進(jìn)而對(duì)附有延性耗能構(gòu)件的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究出含有新型合理控制裝置的結(jié)構(gòu)體系；

4、加強(qiáng)關(guān)于混合控制和半主動(dòng)控制裝置的試驗(yàn)研究及工程試點(diǎn)建筑研究，理論分析的試驗(yàn)結(jié)果有時(shí)會(huì)與實(shí)際情況存在較大誤差，通過(guò)試點(diǎn)建筑研究可以檢驗(yàn)和保證控制裝置的可靠性及實(shí)際控制效果，以期達(dá)到實(shí)用化要求；

5、關(guān)于半主動(dòng)控制和主動(dòng)控制裝置的實(shí)驗(yàn)研究以及作動(dòng)器、傳感器的數(shù)量、位置和控制參數(shù)的優(yōu)化研究，達(dá)到結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的最理想效果，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制“智能化”的要求。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，一定要加大對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的研究，從而能夠不斷滿足社會(huì)的發(fā)展要求。同時(shí)，對(duì)于當(dāng)前的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制而言，一定要加大對(duì)穩(wěn)定性高、能耗少、造價(jià)低的控制裝置進(jìn)行研究，從而能夠推動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)在相關(guān)的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]寧響亮. 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的多目標(biāo)優(yōu)化和智能模糊控制[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]汪權(quán). 建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論與計(jì)算方法研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[3]吳曼林，譚平，葉茂.建筑工程中結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究應(yīng)用綜述[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2009，7（04）：19-26.

[4]毛劍琴，卜慶忠，張杰，范國(guó)濱.結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的新進(jìn)展[J].控制理論與應(yīng)用，2001（05）：647-652.