土木工程结构减震控制方法综述

　　摘 要：地震灾害具有突发性、随机性、不可预测性、危害性等特点。随着我国建筑高度的不断提高，采用的轻质材料也日益增多，导致结构刚度急剧降低，难以承受突然的地震。结构抗震控制是一种有效的减震方法，它可以提高结构的局部强度和变形能力，降低结构振动，保证结构的抗震性能。

　　引言：在此领域，基础隔震技术已经相当成熟，主要应用于桥梁和以剪力变形为主的刚性结构。高层建筑节能减振技术的发展也比较迅速。随着这项技术的不断发展，我们相信这项技术将会有很大的发展。结构的有源控制和二代结构振动控制，是以参数控制为特征的二次结构振动控制，即半有源、智能两种，在国内尚不多见。这是科技和经济两方面的原因。因此，在我国现阶段，被动控制技术的研究、推广和应用仍然是主要的。

　　1.结构减震控制概述

　　结构减震控制是对建筑物基础进行局部的强度和变形，从而增强结构的抗震性能，是一种行之有效的减震措施。在建筑的某些部位安装某种控制装置、机构或种子结构，使其在结构发生振动时，会受到主动或水力的作用，使其减振响应变小，在较大的动态荷载作用下控制结构的响应，以改善其稳定性，保证其安全。从地震反应谱可以看出，加速度随着时间的推移而衰减，而低层结构由于刚度大，反应不强，在地震作用下加速度也会增加，如果能将加速度提高到一定程度，将其加速度调到最优的位置，并保持在更高的频带之外，就可以有效地减小它的加速度。

　　2.土木工程结构减震的意义及价值

　　2.1土木工程结构减震是工程安全性的需要

　　经过三十余年的发展，减震技术已被越来越多地运用于土木工程领域。现代民用建筑涉及到桥梁、道路、房屋、厂房、发射塔等一系列重要的公共设施，这些都涉及到人们的生命和财产。随着现代媒体技术的迅速发展，人们获得了大量的地震数据，尤其是日本的大地震、汶川大地震、智利大地震等一系列的地质灾害，使得建筑的抗震和减震能力得到了极大地提高。

　　2.2土木工程结构减震是确保建筑使用年限的需要

　　一次大规模的自然灾害，会给建筑带来很大的影响，它不但会给房屋的生命和财产造成无法弥补的损害，也会对建筑本身的寿命造成很大的影响。一般而言，在长期遭受大风等自然气候条件的影响下，其使用寿命往往比设计寿命短，而且在这种情况下，土建工程也存在较大的安全风险。因而，在土木工程中，减振结构技术的迅速发展，对提高建筑的使用寿命、保证建筑安全具有十分重要的意义，可以更好地保证建筑的社会和经济效益。

　　3.土木工程结构减震控制方法研究现状

　　3.1土木工程结构减震主动控制

　　在土建工程中，主要有主动阻尼器、主动支撑系统和主动拖拽系统。主动式控制是指在建筑物发生剧烈振动时，由外界的能源来产生相应的辅助动力，从而达到阻尼效果。该控制系统由作动器、传感器、控制器三部分组成，可实现对控制力输出方向的实时调整，保证工程结构的稳定。有源控制技术包括：开环控制，闭环控制，开环闭环控制。

　　3.2土木工程结构减震混合控制

　　将主动质量减震与调谐减震、主动控制和基础隔震组合、主动控制和消能减震技术等综合运用到建筑减震控制中。主动、被动相结合的复合控制技术因其抗震反应灵敏、维修方便、成本合理等优点而日益成为未来的施工技术发展方向。南京电视塔采用了混合式控制技术，它可以通过调整液面和主动粒子阻尼来实现对结构风振响应的控制，从而达到了工程应用的目的。

　　4.土木工程结构减震的控制方法

　　4.1被动控制

　　被动式的控制，就是利用减震装置，降低振动的强度，并阻止建筑物内部的振动传播。它具有结构简单，造价低廉，维护方便，无需外部能源支持的特点。被动控制的关键在于利用能量衰减和基础隔振。基础隔震是在基础和基础之间放置水平柔性层，使基础的横向振动周期变长，从而减少对上部结构的影响。目前，我国的基础隔震技术主要是研制性能优良、成本低廉的减振装置。二十世纪70年代末，采用叠层橡胶支撑隔振技术，从而使基础隔震技术得以发展。在以后的发展中，经常使用的隔震装置，例如夹层橡胶垫隔震装置、铅塞滞变阻尼装置等。目前，地基隔震技术已得到了广泛地应用，隔震结构与设计方法也越来越完善。从世界各地来看，许多隔震结构和桥梁项目都已完成，并在实际地震中起到了良好的缓冲作用。耗能减震是一种耗能构件，其基本原理如下：在结构振动出现前，耗能构件可以在耗能构件间进行被动的前后对比，或在耗能构件间进行相对的往复运动，从而使结构振动的能量得以消散，进而使结构的动力反应下降。目前，国内外已开发、开发了金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、调谐质量阻尼器、复合消能器等。从一定意义上讲，这座大楼的能耗和防震性能都在一定范围内。中国已经建成了几十座新型的节能减震被动建筑，例如上海明珠电视塔，珠海金山大厦等。

　　4.2主动控制

　　结构的主动控制就是在结构受激励的情况下，利用外部的力量对结构进行影响，使得结构的动力特性发生改变，从而导致结构的反应迅速下降。在该系统中，有源控制系统包括传感器、控制器和执行机构。有源控制按其对结构响应和外部激励的不同，可将其划分为开环控制、闭环控制、开闭环控制。当前，结构的主动控制仍是以现代控制理论为基础，而一些算法则根据其自身的特点进行了特殊的处理。目前已有的有源控制有：经典线性控制、瞬时优化控制、随机优化控制、极点配置控制、独立模态控制、极限状态控制、自适应控制、预测控制、滑动模态控制、模糊控制和神经网络控制等。

　　4.3半主动控制

　　半有源结构的控制参数控制主要是通过对其进行动态响应和动态的改变，使其能够实时地改变结构的参数，从而使其响应下降。此方案易于实施，且其控制系统具有较好的稳定性。半有源结构具有较好的控制性能，但略低于被动控制。半主动控制因没有外界能量的影响而有较好的减震效果。

　　4.4混合控制

　　混合式控制是一种将主动和被动相结合的新型控制方法，能充分发挥主动式和被动式的优点，克服了传统的单机控制方法的缺点和不足，仅需要输入少量的能量即可实现对系统的控制，使得系统的稳定性、实用性和安全性得到了极大地改善。

　　4.5智能管理

　　智能控制可以分为采用智能控制算法和智能驱动或智能阻尼装置类。由于结构在强烈的地震作用下，会出现非线性的影响，使得结构的承载力和刚度下降，需要进行真实的模型校正。本文提出一种以智能控制为基础的解决方案。这种算法不需要精确地构造，也不需要进行复杂的自适应逼近。本文介绍了一种基于模糊控制的智能控制方法。模糊控制的基本原理是利用模糊的状态输出与控制输入之间的关系来进行。其次，采用神经网络进行控制。ANN具有良好的非线性近似、自学习、自适应、数据融合、平行分布等优点。还有一种新型的有源或半有源控制，例如磁流变液，压电材料，磁滞伸缩材料。

　　结束语

　　地震是一种极具破坏性、极具随机性和突发性的自然灾害，如果预测正确，将会导致灾难性后果。以往的结构抗震设计都是以提高其本身的强度和变形来提高其抗震能力。如何使建筑物能够承受目前的地震影响，成为抗震设计中的一个重要课题。在保证整体完整性的前提下，对结构进行适当的塑性布置，防止其发生坍塌，并防止其损坏。采用隔震、耗能、施加外力、调整结构动态特性等措施来减少结构的地震响应，从而确保结构自身的安全。

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