1、 文章編號(hào):100926825(20091920059202結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論與應(yīng)用現(xiàn)狀分析收稿日期:2009203206作者簡介:徐飆(19702,男,工程碩士,高級(jí)工程師,中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司,安徽蚌埠233000徐飆摘要:主要介紹了結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概念、基本原理以及分類,闡述了被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制的不同特點(diǎn),最后對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景做了展望。關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制,概念,基本原理,分類,應(yīng)用現(xiàn)狀中圖分類號(hào):TU312文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是通過加大構(gòu)件尺寸、提高材料強(qiáng)度等來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的抗震能力,這些方法除了對(duì)地震烈度的適應(yīng)性不佳外,保護(hù)目標(biāo)也

2、比較單一,而且使結(jié)構(gòu)造價(jià)大大增加,隨著社會(huì)的發(fā)展,工程結(jié)構(gòu)形式日益多樣化,高層和高聳結(jié)構(gòu)也層出不窮。對(duì)高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)來說,水平荷載是主要荷載之一,并且往往起著控制作用,而對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)來說,豎向荷載卻是主要控制荷載。水平荷載一般包括風(fēng)荷載和地震荷載,這兩種荷載都是動(dòng)力荷載。隨著高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)高度與高寬比的增大以及輕質(zhì)高強(qiáng)材料的作用,其剛度和阻尼不斷降低,在強(qiáng)風(fēng)或強(qiáng)烈地震荷載作用下,結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力反應(yīng)強(qiáng)烈,很難滿足結(jié)構(gòu)舒適性和安全性的要求1。按照傳統(tǒng)的抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)方法,即通過提高結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度和剛度來抵御風(fēng)荷載或地震作用,是一種“硬碰硬”式的抗震方法,它很不經(jīng)濟(jì),也不一定安全,而且失去了

3、輕質(zhì)高強(qiáng)材料自身的優(yōu)勢,還不能滿足日益現(xiàn)代化的機(jī)器設(shè)備不能因?yàn)閯×艺駝?dòng)而中斷工作或者破壞的要求。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法已不能滿足需要,從而使結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論在工程結(jié)構(gòu)中開始得到應(yīng)用。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制可以有效地減輕結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震等動(dòng)力作用下的反應(yīng)和損傷,提高結(jié)構(gòu)的抗震能力和抗災(zāi)性能,是抗震減災(zāi)積極有效的對(duì)策。1振動(dòng)控制的概念及原理自1972年美籍華裔學(xué)者姚治平(J T P Y ao 教授明確提出土木工程結(jié)構(gòu)控制的概念以來,國內(nèi)外很多學(xué)者在結(jié)構(gòu)控制的方法、理論、試驗(yàn)和應(yīng)用等方面取得了大量研究成果。隔震消能和各種減震控制體系具有傳統(tǒng)抗震體系所難以比擬的優(yōu)越性,即明顯有效減震(能使結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)減到10%或更低

4、,其中已有多項(xiàng)技術(shù)成功地應(yīng)用于工程實(shí)踐。國際上,美國、日本、澳大利亞、新西蘭和法國等國家在這方面走在前列。國內(nèi)學(xué)者自20世紀(jì)80年代初期以來,對(duì)夾層橡膠墊隔震結(jié)構(gòu)、粘彈性阻尼器、TMD 和TLD 、耗能支撐、層間隔震、主動(dòng)控制等方面的研究取得了一系列成果。經(jīng)過20多年的發(fā)展,結(jié)構(gòu)控制現(xiàn)在正朝著研制高效的被動(dòng)控制裝置、發(fā)展以參數(shù)控制為主的半主動(dòng)控制和探索結(jié)構(gòu)智能控制的方向發(fā)展。結(jié)構(gòu)控制的概念幾經(jīng)完善,具體可表述為:在工程結(jié)構(gòu)的特定部位裝設(shè)某種裝置(例如隔震墊等或某種機(jī)構(gòu)(例如消能支撐、消能剪力墻、消能節(jié)點(diǎn)、消能器等或某種子結(jié)構(gòu)(例如調(diào)頻質(zhì)量等或施加外力(外部能量輸入或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,使工程結(jié)

5、構(gòu)在地震(或風(fēng)的作用下,其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)(加速度、速度、位移得到合理的控制,確保結(jié)構(gòu)本身及結(jié)構(gòu)中的人員儀器設(shè)備的安全和處于正常的使用環(huán)境狀況2?？刂葡到y(tǒng)的基本元素為傳感器、處理器(也稱控制器和作動(dòng)器。傳感器感受外部激勵(lì)及結(jié)構(gòu)反應(yīng)的變化信息,處理器接受這些信息并依據(jù)一定的控制算法計(jì)算所需控制力,作動(dòng)器則產(chǎn)生所需的控制力并作用到結(jié)構(gòu)上,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的控制。2振動(dòng)控制的分類依據(jù)是否需要外界能源,結(jié)構(gòu)控制可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制四類3。被動(dòng)控制也稱無源控制,它不需要外部輸入能量,僅通過控制系統(tǒng)改變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性達(dá)到減輕動(dòng)力響應(yīng)的目的。而主動(dòng)控制的過程則依賴于外界激勵(lì)和結(jié)構(gòu)響

6、應(yīng)信息,并需要外部輸入能量,提供“控制力”。半主動(dòng)控制也利用結(jié)構(gòu)響應(yīng)或外界激勵(lì)信息,但僅需要輸入少量能量以改變控制系統(tǒng)形態(tài),達(dá)到改變結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性從而減輕響應(yīng)的目的?；旌峡刂?也稱雜交控制指的是上述三類控制的混合應(yīng)用,在結(jié)構(gòu)上同時(shí)施加主動(dòng)和被動(dòng)控制,整體分析其響應(yīng),既克服純被動(dòng)控制的應(yīng)用局限,也減小控制力,進(jìn)而減小外部控制設(shè)備的功率、體積、能源和維護(hù)費(fèi)用,增加系統(tǒng)的可靠性4。2.1被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制是一種無源控制方法,包括隔震、吸振和耗能三大控制形式,采用直接減少、隔離、轉(zhuǎn)移、消耗能量的方法達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。在我國,20世紀(jì)50年代就提出基礎(chǔ)隔震思想,80年代末結(jié)構(gòu)控制方面的研究正式起步

7、。由于被動(dòng)控制易于工程實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)得好,效果不錯(cuò),受到普遍重視。結(jié)構(gòu)隔震體系是指在結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)面(或底部柱頂之間設(shè)置某種隔震裝置而形成的結(jié)構(gòu)體系。它包括上部結(jié)構(gòu)、隔震裝置和下部結(jié)構(gòu)三部分。為了達(dá)到明顯的減震效果,隔震裝置或隔震體系必須具備下述四項(xiàng)基本特性:1承載特性;2隔震特性;3復(fù)位特性;4阻尼消能特性。吸振減震是指在主體結(jié)構(gòu)上附加吸振器子系統(tǒng),用以減小主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。吸振器是包括質(zhì)量系和彈簧系的小型振動(dòng)系統(tǒng),以質(zhì)量系產(chǎn)生的慣性力作為控制力,通過彈簧系作用于主結(jié)構(gòu)。常與粘滯阻尼器聯(lián)合使用,并以阻尼器命名。耗能減震是指利用各種阻尼元件、吸能部件或摩擦支撐產(chǎn)生的阻尼力、塑性變形或摩擦力來衰減結(jié)構(gòu)

8、在外界干擾(如風(fēng)荷載和地震荷載等下的振動(dòng)響應(yīng),具有耗能能力強(qiáng)、低周疲勞性能好的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)消能減震的實(shí)質(zhì)是,在結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置消能構(gòu)件(或消能裝置,它們能為結(jié)構(gòu)提供較大的阻尼,在地震時(shí)大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量,有效衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。2.2主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制是利用外部能源(計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或智能材料,在結(jié)構(gòu)物受激勵(lì)振動(dòng)過程中,瞬時(shí)施加控制力或瞬時(shí)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,以迅速衰減和控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的一種減震技術(shù)。主要應(yīng)用于對(duì)抗震抗風(fēng)要求較高,要求對(duì)多振型進(jìn)行控制的95 重要建筑和高層建筑、橋梁、特種結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制技術(shù)無疑是一種比較理想的方法,它對(duì)于提高抵抗地面運(yùn)動(dòng)不確定性的能力,直接減小輸入的干擾

9、力,以及在地震發(fā)生時(shí)連續(xù)自動(dòng)地調(diào)整結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的功能等方面均優(yōu)于被動(dòng)控制方法。雖然主動(dòng)控制已取得一定的理論研究和試驗(yàn)研究成果,減震效果非常明顯有效,并已在少數(shù)工程中試點(diǎn)應(yīng)用,但在技術(shù)上還有一些問題尚待解決。目前,尚未步入技術(shù)成熟階段。其主要存在以下問題:1控制系統(tǒng)的硬件和軟件的滯后性及有效控制性等問題尚需進(jìn)一步解決;2突發(fā)地震時(shí)外部能源的正常供應(yīng)問題;3設(shè)備的常年維護(hù)問題;4造價(jià)昂貴問題;5抗震抗風(fēng)的同時(shí)有效控制問題。主動(dòng)控制根據(jù)控制力是否依賴結(jié)構(gòu)響應(yīng)或外界激勵(lì)可分為:閉環(huán)控制、開環(huán)控制和開閉環(huán)控制。目前研究和工程應(yīng)用較多的是閉環(huán)控制。根據(jù)控制器的不同,主動(dòng)控制又有主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、主動(dòng)錨索

10、之分。主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)是利用傳感器時(shí)刻監(jiān)測結(jié)構(gòu)反應(yīng)(位移、速度或加速度,并根據(jù)卡提閉環(huán)控制理論,計(jì)算機(jī)接受傳感器信息并瞬時(shí)改變狀態(tài)矢量和反饋矢量得出控制力,接著電液伺服裝置將最優(yōu)控制力施加于結(jié)構(gòu),以控制其運(yùn)動(dòng)和變形。主動(dòng)錨索控制是利用傳感器把結(jié)構(gòu)的反應(yīng)傳給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析計(jì)算出所需要的控制力,驅(qū)動(dòng)液壓伺服系統(tǒng),該系統(tǒng)通過錨索對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力,從而有效地減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)。該裝置已被應(yīng)用到實(shí)際結(jié)構(gòu)中,用于控制風(fēng)振反應(yīng)。2.3半主動(dòng)控制半主動(dòng)控制是通過改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性來減震的。1960年日本K obori 最早提出了結(jié)構(gòu)變剛度的概念,1983年Hrovat 研究了土木工程結(jié)構(gòu)的半主動(dòng)控制

11、問題。半主動(dòng)控制與主動(dòng)控制相比,它所需外部能量小得多,維護(hù)要求不高,更容易實(shí)施也更為經(jīng)濟(jì),而且控制效果又與前者接近,因此半主動(dòng)控制具有較大的研究和應(yīng)用開發(fā)價(jià)值。常見的半主動(dòng)控制系統(tǒng)有主動(dòng)調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、可變剛度系統(tǒng)、可變阻尼系統(tǒng)、變剛度變阻尼系統(tǒng)等。2.4混合控制混合控制顧名思義,是指根據(jù)不同建筑物、結(jié)構(gòu)的不同抗震抗風(fēng)要求、技術(shù)可靠性和造價(jià)經(jīng)濟(jì)性,選取隔震、消能、質(zhì)量調(diào)諧、主動(dòng)控制中的兩種以上控制技術(shù)相結(jié)合,使其達(dá)到經(jīng)濟(jì)安全、現(xiàn)實(shí)可行的目的。其主要問題是如何合理地把兩種以上控制技術(shù)組合在一起,使其協(xié)同工作。同樣是由于造價(jià)的原因,決定了混合控制技術(shù)和主動(dòng)控制技術(shù)目前還不能大規(guī)模應(yīng)用于我國的

12、各項(xiàng)大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),尤其是南水北調(diào)渡槽抗震這種工程。3結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的應(yīng)用現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的工程應(yīng)用在過去的多年中有了較大的發(fā)展,特別是美國、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家。在理論方面,他們成功地借鑒了其他領(lǐng)域中的控制理論,為結(jié)構(gòu)控制找到了可行的分析和計(jì)算方法。在實(shí)際工程應(yīng)用中也設(shè)計(jì)出一些有效的控制裝置,尤其是被動(dòng)控制系統(tǒng)(如基底隔震系統(tǒng)在一些高層建筑中得到了具體的應(yīng)用。隔震裝置本身具有足夠的初始剛度,在正常荷載作用下相對(duì)穩(wěn)定,在強(qiáng)烈地震作用下該裝置進(jìn)入消能工作狀態(tài)如疊層橡膠支座,這種豎向剛度很大的裝置水平剛度很小,可大大增加基礎(chǔ)的水平自振周期,強(qiáng)烈地震作用下結(jié)構(gòu)反復(fù)變形,耗散地震能量。此外,滑、滾動(dòng)支座

13、則是通過基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)兩部分產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),防止水平地震動(dòng)的輸入5。我國發(fā)電廠大型機(jī)組動(dòng)力基礎(chǔ)的隔震也采用了橡膠墊支座、螺旋彈簧支座等,運(yùn)行測試結(jié)果顯示隔震效果滿意。國外一些國家也廣泛地將基礎(chǔ)隔震應(yīng)用于核電站、發(fā)電廠的設(shè)計(jì)中。相比之下,我國的結(jié)構(gòu)控制更多地仍處在理論研究上,雖然取得了一系列國內(nèi)外矚目的研究成果,但實(shí)際工程應(yīng)用極其有限,已安裝在建筑物上的控制裝置也主要是隔震裝置。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論與減震技術(shù)為建筑物的抗震提供了一條有效可行的新途徑。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論將結(jié)構(gòu)的彈塑性分析與抗震相結(jié)合,抗震與消震相結(jié)合,能動(dòng)控制與設(shè)計(jì)相結(jié)合,通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的控制設(shè)計(jì),在結(jié)構(gòu)的特定位置出現(xiàn)一定數(shù)量的人工塑性鉸

14、,使其發(fā)生期望的破壞機(jī)構(gòu)形式,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)震下最佳的耗能機(jī)構(gòu);對(duì)結(jié)構(gòu)中梁和柱等構(gòu)件進(jìn)行延性設(shè)計(jì),提高其延性和耗能能力。由于被動(dòng)控制不需要外界能量輸入,抗震性能好,結(jié)構(gòu)簡單,造價(jià)低廉,施工方便,易于修復(fù)和更換,易于被工程師們所接受,所以發(fā)展較快,在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用6。智能結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)振動(dòng)控制,主要通過局部控制和全局控制方法來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)抑制。局部控制是利用結(jié)構(gòu)自身配置的作動(dòng)器傳感器,直接實(shí)現(xiàn)同位反饋控制,提高結(jié)構(gòu)主動(dòng)阻尼,以消耗結(jié)構(gòu)殘余振動(dòng)能量,縮短系統(tǒng)自由響應(yīng)的衰減時(shí)間。全局控制目的在于抑制結(jié)構(gòu)特定點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng),保證系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性和提高魯棒性。對(duì)智能桁架結(jié)構(gòu)的振

15、動(dòng)控制研究已取得顯著的主動(dòng)阻尼控制效果。Preumout 采用數(shù)字控制器,進(jìn)行了微分和積分力反饋控制實(shí)驗(yàn),分別使懸臂智能桁架結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)阻尼由0.3%增加到3%和9%。因此局部阻尼控制方法的研究仍然是智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究伴隨著高維(三維乃至無限維、非線性、多尺度和多耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和仿真技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)一步深入。在無法建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的情況下,發(fā)展基于在線辨識(shí)的自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等各種主動(dòng)控制乃至智能控制,使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)獲得優(yōu)化。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制雖然還有許多工作要做,但已展露其研究價(jià)值和應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn):1韓建平,李慧,杜永峰,等.智能材料與土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)

16、控制J .甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,28(1:36239.2彭剛,張棟國.土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制M .武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2002:73276.3周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制M .北京:地震出版社,1997:1802182.4歐進(jìn)萍.結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制主動(dòng)、半主動(dòng)和智能控制M .北京:科技出版社,2003:1902191.5周錫元.建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減振和振動(dòng)控制J .建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2002,23(2:52254.6劉方,鄒向陽,趙萬里,等.土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概況與新進(jìn)展J .長春工程學(xué)院學(xué)報(bào),2007,8(3:20222.Analysis on the theory and status of

17、 application about structure vibration controlXU BiaoAbstract :This paper introduced the concept ,the basic principle and the classification of structure vibration control ,elaborating different char 2acteristic of the passive control ,the initiative control ,the semi 2active control and the mixture control