结构振动控制的研究进展

2019-03-27 20:38:55
福建质量管理 2019年3期
关键词:半主动被动振动

(广州大学土木工程学院 广东 广州 510006)

一、结构振动控制的研究意义

改革开放以来,中国经济快速发展,相关技术发展也越来越迅速,在机械、军事设备及飞机等,结构振动控制发展快速,而针对于土木工程而言,结构振动控制发展相对滞后。而且,在经济发展快速的今天,人们生活质量越来越好,楼房的建设越来越高,精密机械越来越普遍,许多传统的结构抗振已经越来越不能满足人们的要求,人们对于建筑的结构的响应越来越重视,并且对其要求越来越高,特别是针对于“舒适度”以及“有些机械对结构响应的苛刻要求”,因此对于土木工程结构振动控制的研究显得至关重要。

二、结构振动控制的概念与分类

通过1956 D Hartog提出结构振动减震控制(TMD)的理念和思想,结构振动控制经过四十多年的发展,结构振动被动控制的发展已经比较成熟,而主动控制、半主动控制以及混合控制还处于发展时期,拥有很大的发展潜力。而且,结构振动控制的概念经过不断的完善,如今可理解为:在工程主结构上特定位置上安放某种子结构或者安装某种装置甚至施加外力来调整结构的动力特性,以至于结构的动力特性得到合理的控制,保证建筑物中的机械设备能正常使用,以及得到合适的舒适度[1]。

(一)被动控制。被动控制一般是在主结构上附加一个子系统,或结构的某个特定部位安放一些隔振支座从而改变其力学特性,被动控制不依赖外部能源提供控制力,不受外界的干扰,其控制力是由于被动控制装置随主结构产生的位移而产生的,可分为隔震,消能减震和吸能减震[3]。而隔震分为基础隔震与层间隔震。隔震是通过减少外部振动能的输入,消能减震通过改变结构的刚度和阻尼,吸振是通过改变结构的质量M,来达到减振的目的。被动控制不依赖外部能源提供控制力,它依靠改变结构的动力特性从而是结构振动得到控制,为振动控制比较常用的方法。

(二)主动控制。主动控制是基于计算机的运行上设计的,结构主动控制就是运用传感器输入数据,计算机处理并输出数据,再经过输出设备借助外部能源对结构输出荷载,从而使结构振动得到控制。

(三)半主动控制。半主动控制结合了主动控制与被动控制的方法,运用了半主动控制器,即一个控制元件中包含了主动控制器与被动控制器,来实现半主动控制。

三、结构振动控制的运用现状

近几年来,结构振动控制在土木工程相关领域中迅速的发展,结构振动控制在建筑中得到越来越有效的利用,而这些发展离不开科学的研究。结构振动控制自其兴起以来,国内外学者住了许多研究,以下是其中一部分研究成果:

(一)被动控制

被动控制是结构振动控制中最早被提出,并且发展最为成熟的一项技术,自1956年被提出以来,已经发展了41年。如今,结构被动控制主要分为隔振、耗能减振以及吸振三大板块。

被动控制具有构造简单、造价低,易于维护且无需外部能源支持等优点,且如今许多被动控制技术均在实际工程中得到广泛的应用。

1.隔振。隔振是对结构振动的一种隔离技术,是目前被动控制中最为有效的一项技术,通常可以隔离结构振动的40%以上,作用效果非常明显,而且非常实用,装备器具也非常简单便捷,在建筑中主要分为基础隔振与层间隔振。那么,如今国内外在隔振技术上进展如何,我以以下几点比较新的研究成果来讲明。

2.耗能减振。耗能减震主要是消耗结构中的能量来降低结构的振动反应,通常是在结构里面设置耗能器来消耗结构的能量。其主要的耗能器包括:粘滞阻尼器、摩擦阻尼器以及钢板阻尼器等。

(二)主动控制

就目前而言,我国在土木工程领域上对于结构主动控制的研究还不成熟,在很多方面都缺少研究,但是结构主动控制跟我们生活息息相关,因此对于结构振动控制的研究至关重要。

四、结构振动控制存在的问题

(一)被动控制。被动控制虽然发展比较成熟,但目前被动控制也存在一些无法避免的问题。(1)运用被动控制的建筑物建设的前期经济一般会比正常没用使用被动控制的建筑物所消耗的费用要高。(2)除隔振外,其他两种被动控制技术的减震效果比较局限,减震的效果依赖于外部施加能量的频率(如地震频率与风振频率)。特别是吸能,其减震效果一般属于窄带减振,在被动控制中,主要用于消除结构的共振,因此减振效果有限。

(二)主动控制。(1)时滞问题:传感器获得数据与计算机处理数据及输出设备输出荷载都需要一定的时间,从而导致时间滞后。(2)在地震作用下,外部能源能否正常为结构主动控制提供能量的问题:由于遭受罕遇地震时,能源的供给机制容易损坏,从而无法为输出设备提供大量的能量,输出荷载受到影响。

五、结构振动控制的展望

1.研发新型控制装置,特别是各种耗能控制装置的研制,使结构振动控制的能耗低、成本低、稳定可靠、结构简单;

2.研究高性能和高智能的结构振动控制元件;

3.对于结构振动控制中主动控制部分的时间效应进行研究,期望在今后几年里,有学者能够有效的解决主动控制的时间滞后的影响;

4.多维结构振动控制的研究。现在多维结构振动控制的研究还很不成熟,许多理论以及技术还不够完善,因此,我觉得对多维结构振动控制是很有必要的;

5.对控制力的大小、位置、控制律的研究;

六、结束语

自习主席登台以来,一直倡导创新精神以及走可持续发展的道路,而结构振动控制运用于土木工程中以减少结构振动响应,一方面给人们提供一个舒适的生活,另一方可以做到满足于当今精密机械的要求,显示出结构振动控制的诸多优点。但是,就现在而言,我国对结构振动控制的研究还不成熟,结构振动控制在土木工程中运用还存在许多问题,且最急迫解决的两个问题就是:(1)不管是主动控制还是半主动控制,都存在时间滞后问题和耗能太大以及传感器可能失效问题;(2)被动控制中的调谐减震太过于敏感,只能对部分频率的地震有减震效果,属于窄带减震,对于频率相差较大的地震减震效果不明显。结构振动控制的研究发展需要广大有社会责任感的工程技术人员及科研人员的密切关注,使其工程特性日益完善,尽早的得到推广与运用,以利于实现环境、资源、经济可持续发展及建设和谐社会的战略目标。

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