关于土木工程结构振动控制技术的探讨

蔡准 CAI Zhun

（西安思源学院，西安 710038）

摘要： 随着信息技术的不断发展，传感技术、信号采集与处理技术随着应用领域的拓宽得到了充分的发展空间，土木工程结构的振动控制技术研究经过多年研究已取得了一些成就，相应的技术也在实际工程中广泛应用，但是应用过程还存在着许多的问题与不足，本文简要分析了振动控制技术并对其前景进行展望。

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关键词 ： 土木工程；结构振动；控制技术

中图分类号：TU311.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）23-0103-03

作者简介：蔡准（1987-），男，陕西西安人，助教，工学硕士，研究方向为土木工程、结构工程。

0 引言

土木工程伴随着人类社会的发展而发展。随着科学技术的不断进步，人类在抵抗各种自然灾害的问题上也取得了一定的进步。然而在伟大的自然面前，人类仍旧渺小。我们需要更加先进的技术和更加完备的设施来抵抗灾害的侵袭。传统的防震技术的作用效果和安全性能十分有限，如果地震发生，结构无法支持，很有可能破坏严重，甚至带来极为严重的生命财产损失。因此，土木工程结构振动控制技术的研究发展十分重要。

1 土木工程结构的减振工作原理

对于消耗能量的减振结构而言，具体是指土木工程结构的抗侧力装置，在该装置内部安装有效能量消耗零部件，进而实现减振目的。如果土木工程结构遭遇地震并受到能量侵蚀，能量消耗零部件及其装置会产生弹塑性，滞回变形，以此来吸收和消耗因地震所带来的能量，并减小对土木工程结构主体结构的影响程度，进而实现减振和震动控制的目的。由此可知，减振工作原理与传统正好相反，这也是技术领域中的突破性成就。其主要的工程结构振动控制原理如图1所示。

2 结构振动控制技术的研究现状

2.1 被动控制

被动控制是通过改变建筑结构自身一些构件的构造和结构体系的动力学特征，或者在结构的某个部位附加一个子系统，来实现减振的目的一种不需要外部能源的结构控制技术。由于其结构简单、造价低廉、易于维护且无需外部能源支持，目前已成为建筑与结构设计的热点，许多实际工程中也已经广泛应用。被动技术主要包括基础隔振技术和耗能吸能减振技术。

基础隔振是在结构的上部与基部之间设置一种隔振消能装置的控制技术，是被动控制的一种，它主要通过减小地震时向地表传输的能量，来减小结构的振动。基础隔振能明显降低结构的自身振动频率，非常适用于中低层建筑，但由于隔振只对高频率的地震波有效用，所以对高层建筑并不适用。

吸能减振是通过附加子结构，使结构的振动位移，能量重新分配，从而减小结构振动。耗能减振是在结构体的某些部位，如节点和支撑部等设置耗能阻尼机构。继而通过这种机构对结构施加控制力，快速减小结构振动。耗能减振和吸能减振的装置主要有摩擦阻尼器、粘性液体阻器、调谐质量阻尼器、金属屈服阻尼器、质量泵和液压质量控制系统等。

2.2 主动控制

主动控制是一种需要外部能量供给的控制技术。是否具有能量耗损和完整的反馈控制回路是其与被动控制技术的主要区别。尽管主动控制技术更为复杂、造价昂贵并且难以维护，但对于高层建筑建筑而言，主动控制具有更好的防震效果。主动控制应用了现代尖端的结构控制技术，对结构振动情况实施实时追踪和预测，令结构设计与系统性能达到最佳。主动控制技术分为控制力型和半主动控制型两种。

结构主动控制是利用外部能源在结构振动时对结构施加一个较强的控制力，此时通过传感器将监测得到的信息导入计算机内，由计算机根据设定好的计算公式算出应施加的力的具体信息，最后，由外部能源提供能量，施加给结构其所需控制力，进而快速起到减小结构振动的效果。由于主动控制的实时控制力完全自主可控，因此其对比于被动控制，防振效果十分明显。控制力型的主动控制装置主要有主动拉索系统、主动支撑系统、主动质量阻尼系统和主动空气动力挡风板系统等。

半主动控制属于参数控制，其作用机理和优缺点均介于被动控制和控制力型之间。半主动控制过程依赖于结构的反应情况和外部的激励信息，通过用小功率能源调整结构的动力参数来减少结构的振动，与控制力型相比，半主动控制具有所需外部能量较小、维护要求不太高、更为经济等优势，而且作用效果又与前者很接近，因此半主动控制具有较大的研究和应用开发价值。磁流变液态阻尼器和电流变液态阻尼器是半主动控制系统未来研究发展的方向。

2.3 混合控制

混合控制是相对于被动控制和主动控制而言的研究新突破。它将被动控制和主动控制有机结合到同一建筑工程中，使二者协调起来共同工作。将二者结合起来看似简单，实则需要无数次的尝试与磨合。此系统充分融合了被动控制系统与主动控制系统的优点，既可以通过被动控制系统卸掉震动能，又可以利用主动控制系统来增强控制效果，因此有很好的建筑工程应用价值。目前混合控制所用的控制装置已有许多种类，其迅猛发展的势头锐不可当。

2.4 结构控制研究中的待解决问题

经过多年以来的刻苦研究和辛勤实践，结构的抗震、减振设计研究取得了飞跃性的成就，也受到了更多各领域科研工作者们的关注与重视。然而科学研究不能一蹴而就，科技发展也并非是朝夕之事。在看似成果斐然的土木工程结构振动控制领域取得的成就背后，仍有许多技术不成熟之处，这些问题犹待解决。如从控制器设计角度的建模工程与模型的简化；如何降低能耗和造价，使工程简便且不失可靠性和安全性；综合考量各项外界因素，增强控制的持久力和安全性；完善抗震防护体系作用力的具体计算方式；与其他学科的新技术和新成果有机结合，促进土木工程结构振动控制技术向智能化发展。结构控制技术是一项复杂严密且与人民生命财产安全息息相关的细致研究，因此相关科研技术人员和机构要做好研究工作。

3 振动控制技术简析

3.1 隔震的相关地基的建筑材料

在土木工程建设的过程中，地基材料所使用的材质不一样，因此，在地震过程中的地震波的反应也不尽相同。因此，在土木工程建设的过程总，要使用特殊的材料对其地基进行相应的处理，这样才能减少震波的反应，进而减少相关的建筑物在地震过程中的震感。相对于传统的土木工程来说，其地基经常使用粘土以及砂子进行相应的垫层施工，随后，也有相关的建设工作人员使用糯米进行垫层来对抗震进行相应的研究。经过大量的研究之后，各种实验数据分析得出以沥青为其原料的材料进行相应土木工程隔震设置的效果非常好。

3.2 基础隔震

隔震的相关结构。在减少地震波的时候，其主要的部分就是建筑的最基础的部分，从土木工程最基础的部分设置相应的隔震，阻止其震波由底层传至建筑的上部分结构，这样在相应的程度上能够减少地震对整个土木工程结构的伤害，甚至消除其对工程的结构威胁。在土木工程建设的过程中，将其基础以及上部的结构设置相应的隔震部分，对于整个工程来说，在其投入使用的过程中，在底层使用隔震的装置效果相对较好，出现这一现象的原因在于高层建筑结构设置隔震装置过程会延长建筑结构的自振周期，从而出现隔震效果弱化的现象。现阶段关于基础隔震的进步与发展日益趋于多样化与完善。

3.3 耗能减震

耗能减震具体是在建筑结构的空间，层间等部位装设消能装置，如果地震等级较低，建筑结构自身会协同各个部位的消能装置，维持建筑结构的弹性状态规避地震的影响，减小地震的危害程度。如果地震的等级较高，增加建筑结构自身的形变程度，并协同消防装置内部的大阻尼，有效吸收和消耗地震能量，并将其转换成热能的形式传输至外界，这能够显著降低地震对建筑结构的影响，维持建筑结构的弹性形态，此种技术主要具有以下特点：

安全性和可靠性较高，借助耗能装置有效吸收和消耗地震能量，进而保护建筑物的主体结构；经济且环保。这主要是因为此装置中采用了柔性性能，可缩减剪力墙数量和配筋断面；应用范围广泛，此种装置可应用在工厂、办公大楼中；维护经费较低。如果装设耗能减振装置，需要定期维护，进而保障其正常运行。该装置和其余减振装置相比，维护经费相对较低。

例如在我国某市地区内的一个重点建筑，其主楼高57.8m，地上13层（两侧的塔楼为16层），地下一层，建筑面积为1418815平方米，采用中央空调系统。该建筑采用钢筋混凝土筒体-框架结构，抗震设防烈度为9度，结构安全等级为二级，抗震设防分类标准为二级。原结构采用筒壁厚450mm，底层框架柱截面为800mm*800mm，框架梁高800mm。抗震计算表明，原结构在多遇、罕遇水平地震作用下都不能满足要求，且梁、柱的配筋率很高，施工困难。

经技术经济比较，决定采用粘弹性阻尼器的耗能职称，结构的自振基本频率由原来的1.1Hz提高到1.16Hz，即结构的抗侧刚度比原来的稍小。

3.4 悬挂隔震

悬挂隔震的原理是阻止地面的地震波传递至建筑主体结构，防止主体结构受到损坏。可见悬挂隔震装置结构很大部分的质量甚至是全部质量均悬挂在地面上，地震到来时，建筑结构上层的分离导致无惯性力产生，从而达到显著隔震的目的。悬挂隔震技术适用范围没有其他技术的应用范围广泛，钢结构，大型钢结构是其主要的使用结构，又分为主框架和子结构两部分，悬挂子结构，主框架结构便与子结构分离。当地震波到达悬挂部位时，地震能量大大减少，有效控制了地震的传递，减少建筑在地震中的损害。

3.5 混合控制

混合控制，可以将其简单地理解为主动控制和被动控制的融合，这种控制技术具有设计繁琐的特点，这种振动控制技术被广泛地应用在日本建筑结构设计中。在具体的设计过程中，应多次深入调查建筑物所处地区的地震情况并全面勘查地质条件，掌握各种信息，优化调整控制系统，进而实现防震抗震的目的。这种控制技术有效融合了主动控制和被动控制中的优点，然而其工程造价较高，在我国很少应用。

4 振动控制技术的展望

在近十几年的时间里，经过诸多专家学者们长期不懈的艰苦努力，土木工程结构振动控制技术得到了全面迅猛的发展，呈现出一派生机勃勃的发展势头，在今后一段时期内，结构控制技术的发展趋势将是被动控制技术规范化与实用化和加强对半主动控制和混合控制技术的实验研究以及试点工程的研究。尽管在我国目前的土木建筑工程领域中，结构控制技术基本上还仅仅应用于高层建筑结构设计之中，但随着我国高层建筑特别是超高层建筑的飞速发展，必将给结构振动控制技术带来更为广阔的发展空间。因此，由于土木工程结构振动控制技术自身所具有极为明显的优势，其未来拥有良好的应用前景是毋须置疑。

5 结语

土木工程结构振动控制的研究与应用有着十分广阔的广泛的发展与应用前景，它的研究和发展将会给土木工程结构领域的抗震、抗风等抵抗不可抗力灾害的建筑设计带来一场前所未有的历史性革命。近年来土木工程结构振动控制技术的研究与应用已取得了长足的发展与进步。由此看来，在对抗地震、强风等自然灾害的问题上，土木工程结构控制起着至关重要的作用。因此，我们对土木工程结构振动控制技术未来的成就十分期待。

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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]邢冠群.土木工程结构振动控制的研究现状与展望[J].科技展望，2014，15：38.

[3]陈玉妹.关于土木工程结构振动控制技术的探讨[J].门窗，2014，11：140.