土木工程结构振动控制技术的发展

王 伟

(安徽建筑大学，安徽 合肥 230601)

1 技术概念发展研究

大自然中振动现象比比皆是，笛子通过空气振动，发出美妙的音乐。医学上核磁共振能够检测身体状况；工程应用上也能够通过合理利用振动来夯实基础。但并非所有的振动效应都有助于人类生活，相反有些振动并不利于人类生活所需，从而就有了控制振动的技术，以减少振动的有害影响。

振动控制技术由来已久，早在2000年前，我国智慧人民就成功将“以柔克刚，隔振消能”的振动控制理念应用在结构复杂的宫殿、城墙、塔楼之中，使得这些古建筑能够完整保存至今，为现在的土木工程结构振动控制技术提供了优良的经验，从而得以推广、应用到各种复杂的建筑结构中。从古至今，振动控制技术一直不断完善，从近代开始，土木工程结构振动控制技术得到了极大的发展，使得以基础隔振技术为代表的一系列技术得到了有效的应用，并逐步发展为以智能控制理论为基础的智能结构振动控制技术体系。基于此，对上述技术发展进程及成果进行研究，对于我国土木工程结构振动控制技术实用性的进一步提升具有非常重要的意义。

结构振动控制概念首次提出于1960年，首次在土木工程中应用的时间为1972年，经过多年的发展，土木工程结构振动控制理论已经趋于成熟。2017年，我国学者窦超经《祖国》形式将以结构动力学为基础的多样化工程结构确定性或随机性的振动问题提出了研究成果、并将今后一段时间内的变化更新方向信息公诸于众，在改变文章中对振动控制理论概念进行了进一步总结[1]。他提出：以往的土木工程结构振动控制主要是利用电磁、机械、液压等装置，来阻止土木工程结构中有害振动的理论、方法。相较于传统抗震设计而言，结构振动控制技术可以在较大程度上盖板结构体系的阻尼、周期等动力特性，并利用转移、隔离、耗散等方式，削弱地震能量，减小结构体系面临的地震反应，达到控制结构振动的目的，保证主体结构稳定，满足在地震作用无法确定的情况下，提高土木工程结构实用性能，达到安全性能的要求。

2 技术类别发展研究

2.1 主动控制(含半主动控制)

主动控制技术的另外一种称谓是有源控制，是一种需要由外部提供的能量因子，支撑内部系统反馈监督以及纠正偏差，强调在监控测度较小模块搭配而成的整体体系中，运动式转变状态的同时，经伺服反馈管控装置，对小模块搭配而成的整体体系施加一定的正确方向偏离差错纠正力量[2]，以达到主动控制结构振动的目的。主动控制主要包括控制力型、参数控制型、智能控制这三类。

2.1.1 控制力型

对于控制力型而言，在实施阶段需要以土木工程结构振动方向为样本，朝着与样本迥然不同的方向进行一个控制力量的施加，实现结构控制。关于控制力型的主动控制研究源于上世纪80年代，至上世纪90年代才陆续产生了关于土木工程结构振动控制理论和实践的研究，现如今已形成了包括脉冲发生器、主动支撑系统、主动拉索系统、主动质量阻尼系统在内的技术体系，基于此，实际工程结构振动控制的应用也在逐渐完善。近几年，越来越多的学者将视线转移到了土木工程结构振动主动控制的实践优化上。比如，2019年，部分学者公诸于众的文章中进一步讨论了基于结构动力学的大倾角塔柱结构确定性或随机性振动工艺实施要点，初步保障了塔柱工艺作业开展处于无显著确定性或随机性振动的状态。

2.1.2 参数控制型

主动控制中，参数控制又可称之为结构性能可变型，通过调节部分结构参数来控制振动效应，在土木工程结构振动控制中，参数控制仅需极少的能量，就可以改变结构振动周期、调节控制器参数、增加阻尼，达到减小地震反应的目的。除变摩擦控制以外，结构性能可变型还包括变刚度控制、变阻尼控制等多种类型。

2020年，何文福、蔡培、许浩在发表于《结构工程师》的《基于变刚度的组合系统的隔振性能研究》中针对当前普通隔振支座中，存在着隔振减振效果不佳的问题，并针对此文题，提出了一种以往尚未提出的组合系统振动隔离装置，并以单一模块向整体模块发展为遵循依据，在所受应力下形状变化性质特别的情况下，进行了振动力恢复模型构建，完善了前期相同或相近专业研究个体或群体均没有发表的意见。他们所提出的变刚度控制组合系统主要是将变孔流体阻尼器设置在受控土木结构层之间，并将电磁阀开关设置在液压缸旁通回路上，液压缸整体位于楼层下部，经活塞杆与楼层上部连接。在水平地震动力影响下，受控土木结构层会发生相对位置的连续变动。这种情况下通过调节电磁阀开关就可以由活塞带动液压缸内油自由流动，维持结构层刚度一定。

2020年，高海昌、梅志远、杨国威等经《复合材料学报》刊物将《夹层结构主动温控变阻尼振动控制技术》文章公之于众。刊物中以推动夹层结构抑制振动需求向更高水平发展为主旨，探究了基于主动温控变阻尼的土木夹层结构确定性或随机性振动工艺控制手段。该项研究根据高分子聚合材料在玻璃化转变区的超高阻尼特殊性质，提出了一种以土木夹层结构高分子聚合芯材为主体的温度控制方法。利用聚氨酯改性环氧材料(芯材)与中间层加热膜组成的温度控制技术，可以控制夹层梁温度在玻璃化的过程中，转化周边振动响应幅度，达到有效的土木工程结构振动抑制效果。

2.1.3 智能控制

智能控制顾名思义，是一种将结构振动控制理论与人工智能结合的技术，其源于我国频繁遭受地震灾害困扰下，土木工程安全性、抗震性能亟需增强的现状，但目前还处于初步试验阶段，需要更加配备强大的能源系统、软件、硬件作为支撑。但也已经有一部分研究者开始将智能控制理念应用于振动控制实践。比如，2017年，部分学者在公之于众的研究过程中，基于磁流变液对杂质污染不敏感、存在磁流变效应、相对工作温度范围变化大、电压相对小的特征情况下，分析了流动模式、挤压模式、混合模式、剪切模式对智能控制效果的影响，并明确提出采用流动模式+剪切模式的组合，可以有效减缓土木工程结构的振动效应[3]。为智能控制结构振动提供新的实践，并积累了智能控制对结构振动的应用经验。

2.2 被动控制

被动控制又可称之为无源控制，其不需要监测体系运动状态，且没有外界能源的支撑。通过自身的反馈系统来实现结构振动控制的要求，被动控制主要包括耗能吸能减振、基础隔振这两大类。

2.2.1 耗能吸能减振

耗能吸能减振主要是以土木工程结构体系为目标，进行吸振器、阻尼器的恰当设置，利用相关装置达到耗散、吸收结构振动能量的作用。在现实环境中应用频率处于突出水平的调谐质量阻尼系统首次提出于上世纪40年代，起初被用于控制建筑物风振反应。随后在上世纪70年代开始应用于土木结构振动控制。比如，美国纽约世界贸易大厦中心大楼、澳大利亚悉尼电视塔分别在顶部、中部安装了调谐质量阻尼器，有效控制了结构的振动反应。而2020年，国内行业研究人员徐满清，鹿守山，盛国君也选择《南昌工程学院学报》刊物将相关研究成果公之于众[4]，更进一步拓展调谐质量阻尼系统的应用。近几年，调谐质量阻尼系统逐渐区域成熟，将其应用于大跨度桥梁中，可以有效提高桥梁舒适度、安全性；除此之外，在现实工程实施中表现最为突出的是调液质量阻尼器减振系统，其首次应用于固定式海洋平台上的储液罐，从上世纪80年代开始引入到地面，并逐渐在土木工程结构振动控制中得到应用，发展至今，技术体系更加成熟。比如，在2019年，朱林、苏振开始合作研究，并选择《内蒙古科技与经济》刊物作为合作研究成果发表载体。在载体中指明调液阻尼器能够以储液箱为承载单元，来减缓高层建筑结构左右微小的运动幅度[5]。

2.2.2 基础隔振

基础隔振技术主要是在被分隔的结构部分之间，进行隔振装置的设置，达到改变土木工程结构体系自振的特殊性质，消耗或消除输入结构地震能量的目的。当前以夹层橡胶垫隔振技术应用体系最为完善。比如，刘明雨于2018年，在《山西建筑》期刊中，发表了题为《橡胶隔振支座夹层橡胶垫竖向性能研究》的文章。文章中提出了一个鲜明的观点：夹层橡胶垫隔振概念不存在组成结构纷繁性的问题，其建造资金无额外缺失点、运行过程无不确定冲击因子等优良特点决定了其大面积应用价值。

2.3 混合控制

混合控制就是将主动控制、被动控制联合之后的技术，不仅可以发挥被动控制系统在振动能量耗散方面的优势，而且还可以利用主动控制系统的优良作用，更加有效地对土木工程结构施加抑制操作，大大降低土木工程结构的振动影响。当前，混合控制已经有成功应用于桥梁土木结构振动控制的实例，并且在结构振动控制适用性和稳定性等方面表现较佳。比如，2019年，部分学者以设备-结构体系为中心，利用振动台加载控制功能，以自由度缩减后的土体作为样本，凭借仿真软件核算功能，验证了后者极高的推广价值。

从类别划分上来看，除主动质量阻尼系统+调谐质量阻尼系统以外，土木工程结构振动混合控制还包括耗能吸能减振+主动温控变阻尼、质量双调谐阻尼器、主动温控系统+基础隔振系统几种类别。比如，2017年，部分学者类推了研究样本的减振核算公式，并对具体设计方法进行了归纳。在这个基础上，依托调谐质量阻尼器的有限元模型下的单自由度体系，在初始位移一定的情况下，开展了自由振动试验。实验结果表明：液体质量双调谐振动器具有较大的可行性、并能够准确减少结构振动效应，且设计过程较为简便，可以满足30层框架结构在地震影响下的减振作用。

3 工程应用发展研究

大跨径桥梁的结构刚度、阻尼均处于一个较小的数值，在交通工具、地震、风等外界激励下极易出现较大的结构响应，势必需要严格控制振动影响，防控因结构振动而引发的行人、行车不适感或者结构疲劳破坏、动力失稳问题，甚至较少桥梁结构的使用寿命。近几年，越来越多的学者结合大跨径桥梁工程实际情况，研究了新型振动控制技术的应用，并通过实验分析了现有土木工程结构振动控制技术的优势及存在的不足。比如，2019年，刘小璐、苏成、李保木等学者选择将合作研究成果公之于众，成果展现渠道为《土木工程学报》，成果展现核心论点为地震激励的行波效应以及局部场地效应下，兼具调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的新型阻尼减振系统具有更好的减振效果，且更具耐久性[6]，为大跨径桥梁的减振提供了较好的解决办法。

4 总 结

综上所述，根据外部能源是否输入这一标准，可以将土木工程结构控制技术划分为主动、被动、混合控制几个类别。常用的主动控制技术包括控制力型、结构性能可变型(含半主动控制)；常用的被动控制技术为基础隔振、耗能吸能减振；混合控制装置则指主动控制+被动控制的不同组合形式。

经过众多学者长时间坚持不懈的研究，相关技术得到了显著的变化更新。在后续发展进程中，这项技术中的被动控制有望凭借已开展的实际工程经验更加实用化、科学化、规范化，而半主动控制、混合控制技术的试验试点范围有望进一步拓展，逐步迈向实用化进程。