现代土木工程中结构的减震控制

柴东胜

【摘 要】现今，世界上大部分的国家已经开展了结构减震技术与理论的研究，并且致力于该技术的推广应用。我们国家同样也是，由此可见，结构抗震控制技术是一门技术型和科学性非常强的应用科学，在结构设计中应用减震控制技术，可以很好地减小地震反应从而降低抗震等级，同时建筑物的总造价增大不是很多。

【关键词】土木工程；结构减震；控制方法

概述：

随着我国建筑行业建设水平的不断提升，在面对日益复杂的地质安全问题上，我国土木工程建设中的施工技术不断进步。但是由于我国人口聚居地区多处于地震带和季风区内，造成我国建筑面临防风减震等诸多技术问题，为人民生产生活埋下生命财产隐患，因此，有效控制土木工程结构的减震措施具有十分重要的意义。

一、隔震控制技术的基本原理

结构减震控制指的是在建筑结构的某个特定部位设置某种控制装置、机构或种子结构，当结构出现振动的时候，主动或液压质量振动被动的施加外力来改变或调整结构的动力作用或动力特性，从而有效降低结构的振动反应，其最终目的就是通过采取一系列控制措施和方法，降低建筑结构在地震等强动力荷载下的反应，增强建筑结构的稳定性能，为建筑结构的安全性提供保障。由地震反应谱我们了解到，随着周期的不断加大，其加速度的反应谱就会逐渐的缩小，一般低层建筑的刚度是较大的，所以其周期是比较短的，在地震的时候其中的加速度是相对比较大的，所以假如我们采取一个相应的措施加大了其延长结构基本的自振周期，使其远离场地的卓越周期，使得结构的基频始终处于一个地震能量高的频段以外，就可以有效地降低其建筑物的输入加速度。

二、土木工程结构减震的控制方法

1. 被动控制

被动的控制根本就不需要提供外部的能量，然而就得通过隔震、减震装置来消耗振动的能量，同时还得阻止振动在结构之中的传播，它具有不要外界能源支持、比较容易维护、造价也是相对比较低、构造简单等等的众多优点而被广泛的应用。被动控制主要包括了调谐减震、基础隔震以及耗能减震。

（1）耗能减震

耗能减震技术就是把结构物中的某些构件（如剪力墙、支撑等等），设计成的耗能部件或是在结构物的某些部位（连接处或是节点）来设置其阻尼器，在小荷载的作用之下，阻尼以及耗能杆件可以处于一个弹性的状态，在强烈地震的作用之下，耗能装置首先进入的是一个非弹性的状态，大量消耗输入到结构之中的能量，这样就可以使得主体的结构避免进入一个明显的非弹性状态，从而就可以保护主体结构不会受到破坏。我们按照其耗能装置的不同，耗能减震体系有可以分为不同的体系，一种是耗能构件减震体系，其中常用的耗能元件有耗能剪力墙（如横缝剪力墙、竖缝剪力墙、周边缝剪力墙、剪力墙等等）以及耗能支撑（比如，方框耗能支撑、圆形耗能支撑以及形偏心耗能支撑等等），然而另一种则是阻尼器耗能减震体系，其中及包括了摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器以及弹塑性耗能器（软钢耗能器、铅挤压阻尼器以及记忆合金耗能器等）等等。

（2）基础减震

基础隔震是在构筑物或者是建筑物的基底来设置控制机构来隔离地震能量向上部结构的传输，使得结构的振动逐渐的减轻，避免地震给建筑物带来的损坏。所以说，基础隔振装置一定要具备比较大的变形能力；还得有充分的刚度和初始的强度；可以提供一个比较大的阻尼，使其可以具有比较大的耗能能力。其中，目前其中较为常见的隔震装置有夹层橡胶垫隔震装置、滚轴加钢板消能装置、粉粒垫层隔震装置、铅芯滞变阻尼器隔震装置、基底滑移隔震装置、钢滞变阻尼器隔震装置、悬挂基础隔震装置以及摩擦隔震装置等等。基础隔震对降低结构的自振频率具有非常显著的作用，是发展最早的结构减震方法，其在技术上比较成熟，具有构造简单、耐久性高、性能稳定、经济、减震效果显著的优点，比较适用于刚性结构和中低层建筑。

（3）调谐减震

调谐减震主要是通过在建筑主体结构中附加一些子结构的方法，使主体结构在强震作用下，振动发生转移，结构中的震动能量就能在原结构与附加结构之间得到重新的分配，大大降低了震动对原结构带来的破坏。常用的调谐减震系统有调谐质量阻尼器、模式质量阻尼器、质量泵、调谐液体阻尼器、液压质量振动控制系统等，这些调谐减震系统能够有效减小地震反应。

2. 主动控制

结构主动控制是利用外部能源，在结构受激励振动过程中，对结构施加控制力或改变结构的动力特性，从而迅速地减小结构的振动反应。主动控制系统主要包括传感器、控制器和作动器3个组成部分。传感器测量结构反应或外部激励信息。控制器处理传感器测量的信息，实现所需的控制律，其输出为作动器的指令。作动器产生控制力，所需的能量由外部能源提供，控制力有时通过一个辅助子结构作用到受控结构上。主动控制能够很好的应用现代控制理论和最新研究成果。在主动控制中，作动器的控制力可连续变化，所以其有着极广的控制频率，对外界不同激励具有很强的适应性，能够取得很好的控制效果。常用的主动控制系统装置主要有主动质量阻尼器、主动支撑系统、主动拉锁系统等。

3. 半主动控制

半主动的控制是属于一个参数的控制，其控制的过程完全的依赖于外部激励以及结构反应的信息，进而再通过少量的能量而实时的改变结构的阻尼或是刚度等等的参数来减小结构的反应。半主动的控制根本就不需要大量外部能源的输入来直接性的提供一个控制力，只是其实施控制力的作动器就得需要少量的能量调节，这样就可以使得其可以主动的利用结构振动的往复相对速度或是变形，在最大程度上来充分的实现主动最优控制力。因其半主动控制是兼顾被动控制简单易行以及主动控制优良的控制效果的优点，同时还克服了主动控制需要的大量的能量供给以及被动控制调谐范围窄的不足，所以半主动化的控制具有了一个比较广泛的应用以及比较大研究，这同时也是当前的研究热点。其中常见的半主动控制系统有变刚度变阻尼系统（AVSD）、可变阻尼系统（AVD）、可变刚度系统（AVS）以及主动调谐参数质量阻尼系统（ATMD）等等。

4. 混合控制

混合控制是将主动控制和被动控制联合起来应用，即将主动控制和被动控制同时应用于同一建筑结构减震中，可以将主动控制和被动控制两种方法的优点充分发挥出来，弥补了单一控制方法的制约和不足，只需要小功率的能量输入就能直接提供控制力，控制效果非常明显，调谐范围得以扩大，结构抗震系统的稳定性、实用性和安全性大大提升。

三、结构减震控制的最新研究及未来发展趋势

从土木工程的结构减震的控制技术的发展情况来看，在耗能减震与基础隔震方面的研究是比较多的，且方法和理论是较为成熟的，已经在大部分的实际工程之中来有效地加以应用，今后将向更加实用化以及规范化的方向发展。地震波的频谱特性与被动调谐质量减震装置的减震效果紧密相连，对于不同的地震波表现出来的是一个比较大的离散性，其减震的效果的差别是比较大的。隔震技术的成熟促使人们对目前的设计规范进行进一步的反思，现今的抗震設计规范是建立在已经有的地震经验的基础之上的。

四、结束语

地震灾害具有突发性、随机性、难预测、危害性大的特点，是人类面临的重要自然灾害之一。随着土木工程建筑高度的不断增加以及轻质材料的广泛应用，建筑物的刚度大大降低，难以抵抗突如其来的地震灾害。结构减震控制是通过增加某些结构部位的强度和变形能力提高建筑结构的抗震性能，减小工程结构震动，保护建筑在地震中的安全，是土木工程中有效的防灾减灾方法。

参考文献：

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