土木工程结构振动控制的研究现状与展望

张悦

摘要：地震会给人类世界带来十分严重的危害，具有预测难以及破坏性大等等问题，因此如何保证土木工程建筑的质量具有一定的意义，而土木工程结构振动控制在抗震领域之中具有相当重要的意义，基于此，本文论述了我国土木工程结构振动控制研究的现状以及发展方向。

关键词：土木工程；结构振动；现状；展望

1、土木工程结构振动控制的研究现状

在地震过程中，工程结构会因剧烈的动力荷载的作用受到一定程度的破坏，而工程结构中的一般抗震设计不能很好的避免荷载造成的损伤，因此土木工程结构振动控制受到人们关注，逐渐应用到工程的抗震领域中。土木工程结构振动控制就是土木工程结构的特定部位装设隔振垫、消能支撑、消能剪力墙等某种控制装置结构或机构科学合理的控制其工程结构，使其不受到地震或大风中的加速度、位移的影响，保证工程结构、仪器设备、人员的安全。这些控制装置或机构能分担工程在地震中的振动作用，减弱工程自身承担的力，而且可以通过调整结构的自振频率或周期，增大结构阻尼，施加控制力等，以达到降低结构振动作用下的各种反应。结构振动控制最早广泛应用在机械、宇航、船舶等领域，后来该技术迅速发展，逐渐应用在土木工程领域。目前土木工程结构控制主要分为四个方面，分别是被动控制、主动控制、混合控制及智能控制，下面进行详细介绍。

2.1、主动控制

振动主动控制研究现状20世纪50年代末，由美国科学家率先提出了振动主动控制技术的研究报告，进入20世纪70年代振动主动控制才进入广泛的探索阶段，20世纪80年代，现代控制理论———尤其是随着信号处理技术的成熟，振动主动控制技术得到蓬勃发展。发展到20世纪90年代，振动主动控制技术已日趋成熟，其研究对象己经从简单的线性系统发展到复杂的非线性系统，控制系统从简单的单输入单输出发展到多输入多輸出系统，控制方法也在不断改进，已成功应用于航空航天结构振动控制、土木工程结构抗震、车辆结构隔震以及其他机械设备振动控制等领域，并且后来出现的模糊控制、神经网络控制等智能控制新型方法也已在振动主动控制中得到应用。

现有的振动主动控制技术的发展虽然取得了一些成果，但是还有一些理论和技术问题需要进一步的研究和探索。

研究智能主动控制算法，如连续分布系统的控制方法、存在非线性特性和结构的时变不确定性系统的控制方法。随着系统越来越复杂，传统控制算法受到很大限制，需要发展智能控制技术，如神经网络、模糊控制等，而智能控制技术在振动主动控制中亦尚有许多问题亟待解决。

要实现更精确的控制，开发高精度、智能化传感器、作动器和集成化传感作动部件已成必然之势，而压电材料具有正逆压电耦合效应，这使得其既可作为感知外部环境变化的传感器，又可作为对外部环境变化作出迅速反应调整结构自身适应能力的致动器，压电材料是发展的趋势。

结构控制一体化优化技术，即将传感器、作动器、控制器等有机地与结构集成。主动改变结构自身刚度和阻尼分布，自适应实现振动控制的目标。智能结构设计应综合结构设计，传感器、作动器设计及其配置、控制器设计等环节联合进行。这种智能结构在航空、航天、建筑等工程中有着广泛的应用前景。

2.2、半主动控制系统研究现状

主动变刚度控制系统该控制系统主要是在变刚度控制装置的作用下，使振动物体的附加刚度发生变化，从而使受控结构的固有频率不断发生变化，有效地避免共振的情况，达到减振的目的。在这个过程中，结构的能量发生了变化，经历了振动能量的吸收、消耗与释放这一过程。日本学者Kobori利用主动变刚度系统做了振动台模型试验和原型结构试验，验证了这种控制系统的装置可以改变物体动力参数，且仅需要极少的外界能量，就可以得到十分明显的减振效果。在国内，李敏霞和刘季等学者在这方面做了深入的研究，制作了类似的主动变刚度控制装置，并进行了一个40t足尺的主动变刚度装置的性能试验，该实验主要研究了电液伺服阀在Passive-on和Pas-sive-off状态下主动变刚度控制装置的力学性能。杨润林，闫维等提出了一种新型的半主动变刚度（ISAVS）控制系统，并通过数值模拟验证了它的有效性。1.2主动变阻尼控制系统变阻尼系统由Hovat首先提出，它是通过主动调节变阻尼装置，使其阻尼力变化至接近或等于主动控制力，得到的振动控制效果也和主动控制接近。主动变阻尼控制装置是基于黏滞流体阻尼器，附加可控伺服阀而形成的一种智能阻尼器，它通过控制流体能量，从而实现在控制一种或将几种激励引起的振动。Feng和Shinozuka振动工程中桥梁振动的问题设置了一种变孔径油阻尼器。Kobori等提出了一种半主动流体阻尼器，并进行了模拟实验，实验表明该阻尼器可以有效减小振动过程中结构的峰值加速度和位移。1998年在日本应用半主动变阻尼控制系统，建成的Kajima-Shizuoka建筑物，在实际小地震中显示了很好的控制效果。我国学者孙作玉研究了把一种主动变阻尼振动控制系统应用于高耸建筑的减振，并进行了相应的结构控制试验研究。

可控流体阻尼系统可控流体阻尼系统包括磁流变阻尼器和电流变阻尼器，其中的工作介质电（磁）流变也是一种可控流体，是用不导电（磁）的母液和分散在其中的固体电解质颗粒或带有磁性的颗粒添加一些稳定剂制成的悬浮液。在电（磁）场的作用下两相电（磁）流变液的颗粒会形成一条类似纤维状的链，横架于电（磁）场的正负两极板之间，这样两相电（磁）流变液在电（磁）场的作用下就能产生“固化”现象。磁流变阻尼器由于性能稳定等优点，其应用比电流变阻尼器更加广泛，目前的研究也集中在对磁流变阻尼器的研究上。汪志昊和陈政清基于振动能量回收技术构建了由旋转式永磁直流电机与只需较小能量供给的MR阻尼器集成的自供电MR阻尼器减振系统，并定性分析了自供电MR阻尼器被动控制的减振机理。

2.3、被动控制分析

被动控制是在工程结构上添加一个子系统或者改造结构上的构件使其动力特性发生变化的技术，被动控制的特点在于不需要外部能源，而且构造简单、成本低、方便维护等。被动控制按照控制的原理可分为隔振和耗能、吸能减振三方面。首先，隔振分为基础隔振和层间隔振两种。基础隔振是通过在基础结构与上层结构间安置隔振消能装置，其作用是减少地震产生的能量传输到结构的上层，以达到减小上部结构振动的目的。间层隔振则是将隔振装置安置在建筑中间层的柱与楼板间，作用是消散地震的能量，减少其能量的传输。层间隔震与基础隔振相比，其不受建筑层高的影响，可以避免建筑移动，但是会增加隔振层位移和建筑顶层位移。其次，耗能减振。耗能减振是通过在支撑、剪力墙等结构中安置耗能机构，使耗能机构产生摩擦和弯曲弹塑性滞回变形耗能来耗散或吸收地震输入结构中的能量，减少地震对建筑的破坏。耗能机构以提高大阻尼的形式在地震中发生塑性屈服或摩擦滑动或克服阻尼力做功，从而减少地震中产生的震动能。最后，吸能减振。吸能减震是在建筑中加入某子结构来转移振动的位置，使其能量重新分配，以达到减少结构振动的目的。

3、土木工程结构振动控制的发展前景

土木工程结构振动控制是一门学科交叉复杂的新兴学科，其中涉及计算机技术、土木工程、地震工程、材料科学等多门科学，展望其未来发展前景与方向有以下几点。第一，以能量回收为基础的土木工程结构振动控制是一个研究新方向，因为，地震发生时无法保证充足的外部能源，则主动控制系统就会失去实际应用的意义。而土木工程振动控制应用能量回收原理就会解决这一难题。虽然该方向面临许多未解决的问题，例如高效回收振动能量技术、能量平衡的理论分析等，但是相信这些技术会不断得到解决。第二，被动控制技术规范化、实用化。目前的被動控制系统应用已较为广泛，其系统相对成熟，应对可靠性高、安全性好且经过实际工程验证的被动控制技术进行系统整理规范，推动其在实际工程中的应用。第三，主动控制、混合控制技术、智能控制技术加强研究实验。未来土木工程结构振动控制中主动控制中的结构性能可变型（又称半主动控制）和混合控制以及智能控制是未来重要的发展方向，所以要加强其研究和实验，保证技术应用的可靠性与安全性，并不断总结、完善，以期尽快达到实用化的要求。此外，在智能控制中模糊控制可解决瞬间参数选择问题，神经网络能够弥补时滞效应所以需要加大对神经网络和模糊控制在土木工程结构振动控制运用方面的研究。第四，建立研究结构延性耗能构建的力学模型，通过分析耗能构建的一系列指标、强度和特性、特征等参数间的关系，研究其整体结构的特性，研究出含有新型合理控制装置的结构体系。

4、结语

土木工程结构振动控制具有较好的应用和发展前景，会带来巨大的社会效益和经济效益。土木工程结构振动研究较复杂，设计多门科学和技术，混合控制、智能控制及半主动控制将成为未来发展的重要方向，具有巨大的研究价值和应用前景。

参考文献

[1]邱敏，张学文，陆中玏，杨世浩.土木工程结构振动控制的研究现状与展望[J].安全与环境工程，2013，03：14-18.

[2]许祖德.结构振动半主动控制分析及仿真程序研究[D].华中科技大学，2012.

[3]赵鑫.土木工程结构振动的模糊控制算法研究[D].武汉理工大学，2006.

[4]阎维明，周福霖，谭平.土木工程结构振动控制的研究进展[J].世界地震工程，1997，02：8-20.