土木工程結構減震措施探析

黃舜

摘要：文章對結構減震控制技術的內涵特征和方法進行了詳細的介紹，并在充分說明土木工程中結構減震控制技術使用情況的基礎上，提出了結構減震控制技術發展的建議，以期使人們對該技術有更好的理解。

關鍵詞：土木工程;工程結構;減震控制

引言

傳統土木工程中的結構減震主要借助彈塑性設計手段，依托加強結構自身的抗震性能以達到減震的目的，這種方式顯然存在一定的被動、消極性特征。結構減震控制作為一門新興學科，其旨在借助相應的控制手段，緩解及抑制結構在強風、地震等動力荷載下的動力反應，提升結構的動力穩定性，以滿足結構的適用性、安全性等要求。由此可見，對土木工程結構減震控制技術開展研究，有著十分重要的現實意義。

1結構減震控制的概念及分類

準確來講，姚治平是土木工程結構控制概念的創始人，他在1972年寫了一篇論文，題目就是“結構控制的概念”，在隨后的日子里，他的很多文章也闡述了結構減震控制技術的概念。在姚治平看來，結構減震控制技術使工程安全的維護有了新的一條路。自此，結構減震控制技術清晰了起來。到目前為止，國內外的學者和實踐者花了二三十年的時間去研究和實踐結構控制的理論、方法，做了許多的實驗和工程應用，并取得了大量實打實的研究成果。根據結構減震控制的概念和定義，結構減震控制技術的作用是利用控制機構在結構中的設立，分擔外力帶給建筑結構的振動影響，使結構的振動反應更小，做到外界干擾很大的狀況下，結構的各項反應值都不超過標準。半主動控制、主動控制和被動控制是結構減震控制中的幾大分類，該分類以是否要利用外部能源輸入為標準?？刂屏Φ漠a生不依靠能源的輸入，在進行控制時，不對外界干擾信息和結構反應有過度需求，這種就屬于被動控制方法?；A隔震和耗能隔震是被動控制方法的主要內容。隔震技術主要通過改變結構頻率實現結構減震，成為結構減震控制技術中研究最深入、應用范圍最廣和最成熟的部分，在全世界范圍內，有很多的隔震建筑已經建成并投入使用，橋梁和地鐵工程中也能頻頻看到隔震技術的身影。

2結構減震控制技術在土木工程中的應用

2.1隔震控制技術的基本原理

無論是主動控制還是被動控制技術中，隔震控制技術都是關鍵，在具體的土木工程建設中，隔震控制代表由地震所產生的振動對建筑整體結構所帶來的隔離保護作用。一般對建筑而言，工程中所設計的防震體系都在工程結構的最底部與基礎工程頂面間，它能保證建筑的底部結構與上部結構相互分離，通過這一隔震體系有效隔離地震波所產生的向上沖擊力影響，保證整個建筑工程結構最基本的生命周期。也就是說，通過隔震系統分擔來自地震所產生的巨大能量，達到減震保護效果。

2.2被動控制在土木工程中的應用

被動控制在土木工程中的應用主要包括三種類型：基礎隔震體系、耗能減震體系以及協調減震系統等。其中，基礎隔震體系是選取相關隔震消設備安裝于上部結構與基礎之間，使地震能量向上部的輸入實現降低，進而收獲上部結構振動降低的成效?；A隔震土木工程中的應用，可顯著縮減結構自振頻率，適用于短周期的中低層建筑及剛性結構。因為隔震只可對高頻地震波發揮作用，所以該項控制技術不適用于高層建筑。對于耗能減震體系而言，耗能剪力墻、耗能支撐等是較為常用的耗能元件，另外，摩擦阻尼器、金屬屈服阻尼器及黏彈性阻尼器等則是較為常用的阻尼器。對于協調減震系統而言，應用相對較多的協調減震系統包括有液壓質量振動控制系統、調諧質量阻尼器及協調液體阻尼器等。以調諧質量阻尼器為例，其屬于一種小型的振動系統，主要由質量塊、阻尼器及彈簧等組成?？刂平Y構振動的機制為：調諧質量阻尼器置入原結構體系后，動力性能會出現轉變，等到原結構在動力作用下產生距離振動后，因為調諧質量阻尼器質量塊產生慣性作用，進而對原結構產生一個反作用力，如此一來，阻尼同樣會產生耗能作用。

2.3半主動控制在土木工程中的應用

主動變剛度控制系統和主動變阻尼控制系統是半主動控制在土木工程中頻繁出現的內容。主動變阻尼控制系統能夠實現在所有的采樣周期內，把受控結構的剛度和外荷載頻譜特性結合起來，也就實現了能在任意剛度值之間切換的目的，從而在每一采樣周期內，受控結構都能夠避免陷入共振狀態，實現了減震的最終目標，完成這個過程需要用到主動變剛度控制系統。相似的，主動變剛度控制系統可以在所有的采樣周期內，任意切換獲取的阻尼狀態，完成減震目標，在這整個過程中，要用到控制裝置。很明顯，半主動控制技術糅合了主動控制和被動控制的優點，能夠根據外界干擾和結構反應的共同反應，去調節工程結構。還需要提到的是，半主動控制技術操作控制設備的能量是來自于電池輸出的能量，這就意味著，半主動控制技術避免了主動控制因地震等原因而無法獲取能量的缺陷。種種優勢的累積，使得可靠、實惠成為半主動控技術制應用控制設備的最大特點，也令半主動控制成為全世界土木工程結構減震控制技術中最常見的部分。

2.4主動控制在土木工程中的應用

主動控制在土木工程中的應用，主要包括兩種類型：開環控制系統、閉環控制系統。對于開環控制系統而言，其是指直接結構以對環境干擾開展檢測，結合檢測數據分析獲取控制率。對于閉環變剛度控制系統而言，其是在結構反應檢測基礎上有效達成的主動控制。閉環控制有著可靠的抗干擾能力，并且對系統元件精度要求不高，控制成效較為顯著，因而得到了廣泛推廣。然而，即便主動控制研究收獲了一定的成果，該項技術依舊不夠完備。

3土木工程減震技術中的土木工程結構振動控制問題

土木工程減震技術中對結構振動的控制效果是基于多重因素展開分析的，例如它的結構特性、環境作用或控制算法等等。就以控制算法為例，它就涵蓋了對極點的最優配置、模糊邏輯、二次型線性最優水平或對建筑發生地震后的位移速度與加速度變量觀測等等。在這些有關土木工程結構振動控制的技術影響下，人們自始至終都希望建立一套統一模型，基于它的控制性能指標來檢驗、評價控制系統中所存在的不同環境因素，深入探討環境因素影響下工程結構本身的適用性及有效性問題，所以與結構振動控制體系的相關問題才會被逐一提出并得到發展。

在目前的土木工程減震技術應用與問題研究方面，人們正在從更加實用化的角度深入研究，例如探討結構控制中有關建模與模型的講話過程、結構控制系統的工程應用以及彈塑性非線性問題、包括控制系統的穩定性、可行性、耐久性與經濟性特征。在這些技術問題研究指引下，土木工程減震技術也正在從結構控制基礎技術向新興控制技術過渡，實現更多層面的自動化、智能化技術應用結合，為人類建筑領域發展提供更多有價值參考。

結束語

現階段，結構減震技術的理論研究和應用推廣在很多國家都有。作為一門技術門檻和科學門檻都不低的應用科學，結構減震技術的應用為各類建筑的抗震做出了巨大的貢獻，使建筑物的適用性和安全性都大幅度提高。我國應重視結構減震技術的發展，把握住未來抗震技術的發展方向，進行更加深入的研究，推動其發展，從而推動土木工程建筑的發展。

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