浅谈土木工程结构振动控制技术

江 哲 陈 云

（1、重庆大学，重庆 400045 2、机械工业部第六设计研究院重庆分院，重庆 401120）

结构振动控制技术在机械、宇航、船舶等领域已经得到了广泛应用，而其在土工工程界引起广泛兴趣则始于1972年美籍华裔学者YaoJ.T.P(姚治平)对结构控制这一概念的首次提出。此后，结构振动控制技术得到了迅速发展，目前已经成为结构工程学科中一个十分活跃的研究领域，被称为土木工程的高科技领域。结构振动控制技术根据所采取的控制措施是否需要外部能源可分为:被动控制、主动控制和混合控制。以下将分别对这些控制技术予以简述。

1 被动控制

被动控制是一种不需要外部能源的结构控制技术，一般是指在结构的某个部位附加一个子系统，或对结构自身的某些构件做构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制因其构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持等优点而引起了广泛的关注，并成为目前应用开发的热点，许多被动控制技术已日趋成熟，并已在实际工程中得到应用。被动控制从控制机理上可分为基础隔振和耗能吸能减振两大类。

1.1 基础隔振

基础隔振是在上部结构与基础之间设置某种隔振消能装置，以减小地震能量向上部的传输，从而达到减小上部结构振动的目的。基础隔振能显著降低结构的自振频率，适用于短周期的中低层建筑和刚性结构，由于隔振仅对高频地震波有效，因此对高层建筑不太适用。

1.2 耗能吸能减振

耗能吸能减振装置主要有:金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘性液体阻尼器、调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、液压质量控制系统和质量泵等。

2 主动控制

主动控制是一种需要外部能源的结构控制技术，它是通过施加与振动方向相反的控制力来实现结构控制的，其工作原理如下:传感器监测结构的动力响应和外部激励，将监测的信息送入计算机内，计算机根据给定的算法给出应施加的力的大小，最后，由外部能源驱动，控制系统产生所需的力。如果传感器仅测量结构响应的信号，称控制系统为闭环控制;如果传感器仅测量外部激励的信号，称控制系统为开环控制;如果传感器同时测量结构响应和外部激励的信号，则称控制系统为闭-开环控制。主动控制可分为控制力型和结构性能可变型 (半主动控制)两类。

2.1 控制力型

它的特点是采用能检测结构及外干扰振动的传感器，将传感器获得的信号作为控制振动的控制信号，通过作动器随时向结构施加控制力，以便及时控制结构的动力反应。控制装置大体上由仪器测量系统(传感器)、控制系统(计算机)、动力驱动系统(作动器)等组成。目前研究开发的控制力型主动控制装置主要有:主动质量阻尼系统、主动拉索系统、主动支撑系统、主动空气动力挡风板系统、气体脉冲发生器系统等。

2.2 结构性能可变型(半主动控制)

它是利用控制机构来主动调节结构内部的参数，使结构参数处于最优状态，所需的外部能量比控制力型小得多。比起控制力型主动控制，结构性能可变型主动控制更容易实施而且也更为经济，而控制效果又与前者相近，因此结构性能可变型主动控制目前具有更大的研究和应用价值。结构性能可变型主动控制往往采用开关控制或称为"0-1"控制，通过开关改变控制器的工作状态，从而改变结构的动力特性。目前，较为典型的结构性能可变型主动控制装置有:可变刚度系统、可变阻尼系统、主动调谐参数质量阻尼系统、可控(电流变或磁流变)液体阻尼器、可控摩擦式隔振系统等。

3 混合控制

混合控制是主动控制和被动控制的联合应用，使其协调起来共同工作。这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量，又可以利用主动控制系统来保证控制效果，比单纯的主动控制能节省大量的能量，因此有着良好的工程应用价值。目前混合控制装置主要

以下几种:(1)主动质量阻尼系统(AMD)与调谐质量阻尼系统 (TMD)或调谐液体阻尼系统(TLD)相结合的混合控制;(2)主动控制与阻尼耗能相结合的混合控制;(3)主动控制与基础隔振相结合的混合控制等。

4 有待研究的控制问题

结构控制这一课题，近年来，受到了多个领域的学者与专家的高度重视，越来越多的控制专家投身于该研究中，在理论上取得了不少新结果，在应用上成功的例子也很多，但仍有一些问题有待进一步深入探讨。

4.1 从控制器设计角度的建模与模型简化

由于结构系统维数高，含有未建模动态特性及参数不确定性等，研究面向低阶鲁棒控制器设计的辨识方法及模型简化技术等问题是具有实际意义的，同时对于含智能材料的结构，由于材料的强非线性，对材料与结构间的非线性相互作用的辨识也需进一步研究。

4.2 结构控制中的非线性控制

研究带有滞回环及饱和的非线性控制问题，这类问题本身在控制界有着广泛的兴趣，另外智能控制如模糊控制等在非线性结构控制中会有很好的应用前景，也值得深入探讨。

4.3 结构控制中的混合控制

不同类型的控制算法集成的研究即混合(hybrid)控制方式目前是控制界极受关注的问题，在结构控制中研究主动与被动控制间的最优混合，是具有实际意义的方向.此外，利用一些主动控制算法进行结构设计参数的优化问题也值得进一步研究。

4.4 结构控制中的可靠性要求

许多结构控制问题对于可靠性要求很高，而在正常条件下又无法对整个闭环系统进行实现证实控制方案的正确性，如为提高建筑物的抗震能力而设计的结构控制器.这样，探讨结构控制的实验证实方案是十分重要的问题。

5 结构控制技术的发展展望

经过诸多学者长期不懈的努力，特别是在近十几年的时间里，土木工程结构控制技术得到了全面迅速的发展，呈现出一派生机勃勃的发展势头。展望今后一个时期内，结构控制技术的发展趋势将是：

5.1 被动控制技术规范化实用化。将目前一些较为成熟并且已得到实际工程

证实的被动控制技术，如基础隔振、耗能吸能减振等，进行系统整理，使之逐步规范化、实用化，并编入新制订的结构设计规范中，以推动其在工程实践中的广泛应用。目前在国内外这方面的工作已经有了一些进展。

5.2 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

半主动控制和混合控制技术是今后土木工程结构控制的重要发展方向，因此应进一步加强对它们的实验研究以及试点工程的研究，以验证其实际控制效果及可靠性，并不断总结、完善，以期尽快达到实用化的要求。虽然目前结构控制技术尚未在土木工程中得到广泛应用，但由于其自身所具有的明显优势--“智能型”，其良好的应用前景是毋须置疑的。结构振动控制在高层建筑和高耸结构还有较为广泛的发展前景。虽然，在我国结构振动控制目前多数仅应用于高耸结构中，但随着我国高层建筑特别是超高层建筑的发展，必将给结构振动控制带来更为广阔发展空间因此有理由相信，采用结构控制技术的智能型隔振减振结构将会是不久的将来人们的现实追求。

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