土木工程结构振动控制的研究现状与展望

李明

【摘要】 在土木工程中开展结构振动控制的目的是为了强化现代建筑的使用性能，同时也是为了提高建筑在使用中的抗灾能力。其在实际的研究中已经取得了初步的成果，根据其研究成果可以分为主动、被动、混合及智能这四种控制形式。以下从现今建筑使用中需要面临的环境问题来进来分析其发展现状，并结合现今人们对建筑安全的需要及土木工程的发展情况对其此研究的未来进行展望。

【关键词】 土木工程；结构振动；控制；研究现状；展望

由于我国地理面积广阔，其中包含着许多复杂的地形，一些地区处于地震带，在发生地震时为人们带来了极其严重的生命财产损失。而在地震发生时，一些人员无法逃出建筑而受到生命威胁的现象屡见不鲜，因此建筑的抗震性能也成为了土木工程中重点研究的项目，其中结构振动控制的理念受到广泛的关注，基于此理念的研究也在不断的开展。

一、土木工程结构振动控制的研究现状

地震主要是由于地壳板块运动产生的剧烈动力现象，在地震区域的建筑会受到强力的作用产生晃动，这部分力产生的载荷在超过建筑可承受的临界值后会使建筑出现断裂、倒塌的现象。而受建筑结构、材料及使用的要求，其实际的抗震能力并不能达到理想的是状态。而现今在土木工程中融入了结构振动原理为建筑抗震设计提供了一个突破口，其在实际应用中的范围也越来越广。

而在现今的研究中通过结构振动控制来降低地震能量对建筑所带来的影响，降低其结构所承受的载荷力，从而在地震产生的能量中可以对建筑内部的人员、物品起到一个防护的作用，并在外力的作用下通过消能保证结构的完整性。总体来说就是利用消能材料、结构、装置来控制及分散振动所产生的瞬时爆发力，同时控制装置还可以地震的频率来施加适当的控制力，以达到降低结构振动作用下的各种反应。

二、土木工程结构振动控制

（一）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，在使用中其可以利用隔振装置来降低地震瞬时力产生时对建筑造成的位移其情况，并通过耗能装置将振动中输出的能量进行消耗，从而降低剧烈振动过程中产生破坏力，而吸能则是应用子结构来对余震所产生的能量进行吸收，并对此部分能量进行分散释放，从而降低能量波对局部所造成的高损害情况。

（二）主动控制分析

主动控制与被动控制相比，其结构较为复杂，需要外部能量的支持，成本较高，维护复杂。但是主动控制对于高层建筑的控制效果相对较好。其原理是传感器监测结构的动力响应，并将监测的信息送入计算机，计算机根据指定公式算法计算出施加力，并由部能源驱动作动器产生施加在结构上的控制力。

（三）混合控制分析

这种控制方法主要是将以上两种控制系统的优点进行融合，从而弥补了主动控制耗费高及被动控制能量消耗量较低的缺陷，两种控制系统的联用可以突破原有的控制系统存在的局限性，扩大了其使用的范围。

（四）智能控制分析

智能控制是指利用智能化的材料和控制理论在结构受激励振动时通过对结构内部参数进行调整来改变结构的动力学特性，实现减少振动反应的目的。其中智能化控制理论有模糊控制、神经网络控制和遗传算法等。

三、土木工程结构振动控制的发展前景

此研究具有多学科交汇的特点，在使用中需要对其所涉及的领域都有丰富的了解及充足的知识储备量，而结构振动控制的发展需要由多角度进行创新研究，其发展前景以下有几点浅见。

（一）能量回收

在地震的过程中会泄露出大量的能量，这部分施加于建筑上的能量需要由建筑结构振动控制系统进行抵消，但是这部分施加的能量却过多，例如在主动控制系统中，其需要外部有足够的能源来提供其进行控制工作的所需，一旦外部能源量少且无法提供持续供给将会造成控制系统的失效。因此如何进行能量回收、怎样回收、回收技术及回收理论等都是其发展中的重点，也是发展中需要重点关注的项目之一。

（二）被动控制技术规范化、实用化

在现今的建设工程中结构振动被动控制系统使用的范围最广，其在发展的过程中各项技术也在不断的被完善，在使用中所提供的服务也相对成熟且成本较低，具有极好的实用价值。但是在现今对被动控制系统的研究中可以看出其系统的使用仍然较为散乱，其系统内容及使用技术在操作的过程中较为复杂，因此在发展中应注重系统的规范处理，并制定完善的管理规范，简化操作流程，提高其实用性，从而为其推广及扩展提供发展契机。

（三）加强主动、混合、智能控制的研究实验

这三种形式所提供的结构振动控制效果更好，且在现代信息技术及计算机技术的发展下这三种控制方式更适合现今的建筑防震。在主动及混合控制中需要从其技术原理及技术内容入手，在原有的基础上将其控制技术的使用简化，并通过总结原有的技术缺陷来进行补足完善，通过研究新材料、新技术来降低其使用的成本。而在智能控制中需要对其程序中各类参数进行准确的设置，并结合地理特点及地震产生的参数来制定智能系统控制防护开启的参数。

（四）加强国家政策的扶持

目前土木工程结构振动控制被归为抗震中的一项重要技术，其在实际的使用中虽然仍存有一定的不足之处但也取得了一定的进步，而其作为一种可以在建设工程中大范围使用的具有一定优势的技术，其研究及发展需要由国家及相关部门的支持，这样才能在适当的范围内为研究工作的开展提供最大的便利，使结构振动控制可以得到最新的技术及资料的支持，从而增强其时效性及可操作性。

四、结语

目前根据结构振动控制的应用可以发现其所创造的价值不只体现在其经济效益上，更重要的是在对人民生命财产安全保护上的效果。在土木工程结构振动的研究上需要由多学科、技术进行交叉探索，这也需要研究人员的不断努力。同时相关部门也需要给予相应的鼓励及支持，从而促进此研究的持续发展。根据被动控制系统在实际应用中所取得的成果来看，在同类技术的研究上有良好的发展前景，其价值及意义对建筑行业来说非常重要。

参考文献：

[1] 楊宇航.试析土木工程结构振动控制的研究现状与展望[J].建筑工程技术与设计，2015（8）

[2]柏卓辰，罗森.土木工程结构振动控制的研究现状与展望[J].建材发展导向：下，2014（9）

[3]许圣昊.土木工程结构振动控制的研究现状与展望[J].建材发展导向：下，2016，14（3）：00259-00259