结构振动控制概况综述

李春伟

【摘 要】结构振动控制在土木工程领域的研究已有近半个世纪的发展历程，其研究范畴大体又分为无源的被动控制和有源的主动控制。本文简要叙述了被动控制、主动控制、半主动控制以及混合控制的发展概况及应用，作出了对振动控制技术在未来土木工程领域的展望。

【关键词】振动控制；被动控制；主动控制；半主动控制；混合控制

前言

传统的抗震方法就是“以刚克刚”，提高建筑物结构的刚度、强度来抵抗地震作用。由于传统抗震方法过度依赖结构构件的延性，对于构件所造成的损伤却没有考虑周全。1972年，美籍华人姚治平利用现代控制理论，把振动控制应用到土木工程结构抗震中来[1]，此后，土木工程结构振动控制迅速发展。结构振动控制按照有无能量的输入可以划分为被动控制即不需要能量输入，主动控制即需要能量输入，半主动控制以及混合控制即主动控制与被动控制的混合[2]。

一、被动控制

被动控制是不需要提供外部能量的，是一种完全依靠自身的抗震减震方法。在建筑物结构增设外部隔震或耗能构件，有的利用建筑物自身的某些构件，用来消耗地震带来的巨大能量，以减少地震对上部建筑物的破坏。被动控制主要是应用隔、吸、耗的方法弱化强大的地震能量，以达到减震的目的。

（一）基础隔震

基础隔震技术研究的比较早，无论是国内还是国外都有了很大的发展和实际应用。最早于1881年，由一位日本学者河合浩藏提出了基础隔震的思想。1969年南斯拉夫在灾后重新建设的建筑物中，有采用橡胶支座的设置。1993年，由周福霖教授等在广东汕头建成的第一座橡胶隔震建筑，经历了台湾海峡地震，证明基础隔震技术的可行性[3]。

隔震技术是通过在建筑结构的基础与建筑物上部的结构之间增设一层用于隔震的隔振垫，隔振垫可以吸收地震的能量。由于隔振垫的存在，将大地与结构隔开了，也就是地震时大地在晃动，而结构不受地震的影响，从而达到减震的目的。除了利用橡胶垫作为隔振垫，还有滑动摩擦隔震、钢筋沥青复合隔震、摩擦摆隔震以及组合隔震等多种隔震体系[4]。

（二）吸能减震

吸振减震是在结构中设置一个吸振子系统，当地震来临时，这个吸振子系统会同结构一起振动，承担其中的能量而保护结构不受破坏。吸振子系统主要有质量系为固体的调谐质量阻尼系统（TMD）和质量系为液体的调谐液体阻尼器（TLD）等[5]。

（三） 耗能减震

耗能减震是在结构中设置耗能元件或耗能系统，改变结构的刚度、阻尼，将地震能量消耗，避免震动能量传到上部，以保证建筑物的安全性。主要的耗能装置大体可以分为摩擦耗能、粘性和粘弹性阻尼器、金属阻尼器[6]。摩擦耗能装置在巨大的地震能量下会产生滑移，通过滑移摩擦消耗能量，降低地震对建筑物结构的能量输入，使建筑物不受破坏。阻尼器作为耗能装置需要这种材料在进入塑性阶段后具有良好的滞回性能，金属材料也便作为这种阻尼器的最佳材料。粘性和粘弹性阻尼系统的应用也有很多，纽约的世贸中心大厦就使用了粘弹性阻尼器。

耗能减震技术可应用各种结构，在减震性能方面也比较突出，因而耗能减震有较大的研究价值。

二、主动控制

结构主动控制原理，当地震等外界干扰发生时，通过传感器的感应传输给计算机主机，计算机利用主动控制算法对反馈来的外界干扰进行分析计算，得出最优主动控制力，主机再控制主动控制作动器进行运作。主动控制即利用作动器巨大的能量输出，来抵抗地震等外界干扰，从而使建筑物结构达到抗震减震的成效。

随着结构振动控制理论和控制系统的研究和兴起，这种主动的抗震方法能够更好的满足建筑物结构的抗震性能。它可以根据外界的干扰自行调节建筑物的阻尼、刚度和抗力，并输入能量抵消外界干扰，以保证结构的安全性和稳定性。这种积极主动的抗震技术适合绝大部分结构，在结构抗震领域有很大的发展前景。主动控制可以有效的保护设备设施，通过反馈等智能技术做出最优保护方案，使建筑物在提高抗震减震方面提供了一个新途径。

三、半主动控制

主动控制的完成需要输入大量的能量去使液压伺服作动器或电机伺服作动器运转，而半主动控制则需要较少的能量便可实现抗震减震的效果。半主动控制是一种将主动控制与被动控制融合在一起并结合为一体的方法。在被动控制基础上加上只要较少能量的主动控制，各取所长，是目前比较经济适用的方法。我国学者也于上世纪末本世纪初，对主动变阻尼控制进行了一系列研究[7]。

四、混合控制

混合控制是应用以上两种或更多的控制方法，将其混合使用。混合控制取彼所长补此所短，做到经济适用、便于施工、效果最优。其中有在基础隔震的基础上增加主动控制，基础隔震吸收能量减少对上部结构的动力反应，加上主动控制进一步减少结构的位移。还有主动控制与耗能减震装置的混合，液压阻尼系统与主动质量阻尼器的混合等等[8]。

五、结束语

结构振动控制是一门新兴的综合性学科，它需要精密的反馈装置来传输信息，强大的计算机性能保障整个运行过程，精确且智能的控制算法来确定最优控制力，以及作为吸耗能的重要材料。

總结全文有以下几点：

1.基础隔震性能的好坏与隔震材料的性能有关，对于自重不大的低层建筑是不错的选择，但对于自重较大的高层建筑来说，隔振垫还要承受结构的自重，普通隔振垫就很难发挥很好的效果，这就需要研制性能更加良好的隔振材料。

2.由于吸能耗能减震是靠吸能耗能装置的作用，所以，吸能耗能装置的研究对于结构抗震来说意义很大。

3.由于需要较大能量的消耗，这种高成本的主动控制的研究并不是很热门，但是主动控制却是在结构抗震减震方面取得的成绩令人引以为傲。而控制算法的研究是未来的研究发展方向。

4.半主动控制只需要少量能的消耗便可得到和主动控制相近的减震效果，比仅仅使用被动控制或者仅仅使用主动控制来说，工程可行、效果显著，是现在研究者们热衷于研究的方向。

5.混合控制将几种控制方法混合使用，各需所长，是未来结构抗震减震的发展趋势。

参考文献：

[1]Yao J T P. Concept of Structural Control[J]. Journal of the Structural Division， 1972， 98（7）： 1567-1574.

[2]李桂青， 邹祖军. 结构振动控制述评[J]. 地震工程与工程振动， 1987， 7（1）： 83-93.

[3]徐忠根， 周福霖， 丘湘泉. 汕头博物馆结构动力分析[J]. 世界地震工程， 1996 （2）： 33-36.

[4]尚守平， 崔向龙. 基础隔震研究与应用的新进展及问题[J]. 广西大学学报： 自然科学版， 2016， 41（1）： 21-28.

[5]田晓磊， 乔枫. 建筑工程结构振动控制方法综述[J]. 中国科技投资， 2012 （30）： 95-95.

[6]周云， 刘季. 耗能减震技术研究与应用进展[J]. 世界地震工程， 1995 （1）： 20-28.

[7]孙作玉， 隋丽丽. 变阻尼半主动结构控制振动台试验[J]. 地震工程与工程振动， 2000， 20（4）： 106-111.

[8]刘季， 周云. 结构抗震控制的研究与应用状况（下）—主动控制， 混合控制及半主动控制[J]. 哈尔滨建筑大学学报， 1995， 28（5）： 1-6.endprint