振动控制技术在工程结构设计中的应用和发展-发表论文网__58期刊

所属栏目：建筑设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:206

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　　振动控制技术在工程结构设计中的应用和发展
　　 张永军1张大勇2 
　　(1. 大连市建设控股有限公司辽宁大连116021
　　(2. 大连理工大学，工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024)
　　摘要振动控制发展至今，已经成为传统结构设计的一个有力辅助工具。采用振动控制设计可以得到性能更优的设计方案，而在同样的性能要求下，振动控制技术往往能够得到造价更低的设计方案。本文对控制技术在工程结构设计中的发展趋势予以评述。
　　1、引言
　　土木工程结构在服役期内不可避免的经受各种环境荷载的作用，工程上比较关心的作用于结构的环境荷载主要分为两种：一是最大静荷载，另一种是交变荷载。动荷载会导致结构振动，振动过大则会引起结构疲劳、设备失效及人员舒适感问题。特别是近些年来，大型复杂土木工程结构正在向着高耸、大跨、轻质和高强的方向发展，结构变得较柔。对于这些大型柔性结构，通常可以满足强度要求，然而动荷载作用下结构的动力响应过大，使得振动问题得到了更多的关注。降低或抑制结构振动可以通过修改设计，如增加刚度的措施来实现，然而对结构进行设计修改也很难避开环境荷载的主导频率，而且增加刚度也会造成经济性差、适应性欠佳等问题，此外，对现役工程结构，修改设计很难实施。因此，需要寻找一种安全、经济、适应性佳的减振体系，减振控制方法应运而生。
　　结构振动控制是指在工程结构特定部位，设置某种控制装置或附加某种子系统，被动或主动的施加一组作用于主结构的力，用以减轻或抑制动力荷载所引起的结构响应，来满足结构的安全性，使用性和舒适性的要求。自美籍华人姚治平于1972年提出土木工程结构振动控制概念[1]以来，结构振动控制的研究从理论分析、试验研究到工程应用等方面都取得了长足的发展，目前已经成为结构工程中一个十分活跃的领域。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、混合及半主动控制[2]，以下将对这些技术在工程结构中的发展趋势予以评述。
　　2、被动控制技术
　　被动控制是无需能源供给的控制，其对受控结构的控制力是被动控制装置随结构一起振动产生的，被动控制其实质是通过附加装置采用隔振、耗能和吸振等技术来减小结构的能量，达到减振的目的。被动控制因其构造简单、造价低、易于维护且无需外界能源支持等优点而引起了广泛的关注，并成为当前应用开发的热点。许多被动控制技术已日趋成熟，已在实际工程中应用。被动控制技术分为隔振、耗能减振以及动力吸振。
　　基础隔振技术是国内外研究和应用最早的被动控制方法,其减振原理是通过在上部结构与基础之间安置适当的抑制振动的装置，阻碍隔阻激励向结构的传递，增大结构的自振周期，避开结构的卓越频率，同时增加结构的阻尼，降低结构响应。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，对高层建筑不太适用。目前隔振技术已经得到广泛应用，同时将隔振层设置在结构的不同部位又将这一技术发展到了层间隔振以及端部隔振。
　　耗能减振技术是通过在结构上设置阻尼器，结构在外荷载作用下振动时，耗能装置通过‘剪切变形，金属屈服滞回特性，流体穿过孔隙’耗散掉结构能量。耗能减振装置一般需要较大的相对变形，对安装位置敏感。安装在具有较大相对位移处才能充分发挥消能减振作用，因此，对于在外荷载作用下相对位移较小的的结构，结构耗能减振是一个重要方向。目前耗能减振技术是受到人们青睐的一种有效的被动控制方法。前美国纽约世贸大厦就设置了一万多个粘弹性阻尼器[3]，有效的控制了结构的风振响应。不同的结构耗能技术具有广泛的适用性，同时耗能装置成本低廉、性能可靠。
　　动力吸振技术是通过在结构上附#p#副标题#e#加减振装置，结构振动时带动附加装置一起运动，附加装置被动的产生一组反作用于主结构的力，同时主结构能量被子系统吸收，从而保护主结构。动力吸振技术中最典型的装置是调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器。动力吸振技术在土木工程结构的抗风振中已经得到了比较广泛的应用，其减振原理为：结构在外激励作用下振动时带动附加在结构上的质量-弹簧系统一起运动，附加系统会被动的产生一组施加于主结构的惯性力，从而降低原结构响应。由于被动TMD安全、可靠、经济，已逐渐应用于高层建筑、高耸结构及大跨度桥梁等的减振中。
　　尽管被动控制技术具有构造简单、安装方便、成本低、无需外部能源供给等优点，但在实际应用过程中也暴露出了自身的缺陷，如只对能某种特定的振动特征进行控制、缺乏跟踪和调节能力、减振效果很大程度上依赖于激励特性和结构动力响应特性等。
　　3、主动控制技术
　　主动控制是通过安装在结构上的传感器测得结构的响应信息或外荷载信息，通过闭环反馈或开环前馈将传感器测量得到的信息传到计算机中，由计算机进行分析处理并按照某种控制算法计算出控制力，由电液伺服系统或其它主动加载装置将控制力施加到受控结构上，从而减小结构动力响应。在实际应用中是结合实际控制目标以及控制对象，采用混合控制技术。目前在土木工程振动控制领域，主动控制主要侧重于理论研究以及数值分析。由于土木结构自重大而且施加其上的动荷载能量较大，所以需要的控制力非常巨大，这就使主动控制不易实现而且成本高昂。此外，由于涉及到众多的元件，主动控制系统设计复杂、可靠性较低，这些都限制了主动控制在土木工程中的应用和推广，这也导致了结构主动控制可采用的主动控制装置种类也相对较少。目前应用的主动控制装置主要有主动质量阻尼器、主动拉索系统等。
　　4、半主动控制及混合控制技术
　　半主动控制及混合控制是介于被动控制和主动控制之间的一种控制策略，是指利用控制机构来主动调节结构内部的参数，使结构处于一种较优的状态，避开外激励的卓越周期,或是产生等效的控制力,以消耗振动能量,减小结构响应。半主动控制结合了被动控制和主动控制的优点,仅仅需要极小的能量,就能产生接近主动控制效果的控制力。相对于主动控制来说,半主动控制更容易实施、更经济、可靠。
　　相对于主动控制来说,半主动控制更加经济、可靠,所需要的维护费用小,具有很强的实际工程应用意义，因此，未来的工作应着眼于半主动控制装置的试验研究以验证其有效性及可靠性，尽快达到实用化。混合控制是将被动控制系统和主动控制系统同时施加在被控结构上，使其协调工作。这种控制方式充分利用了被动控制和主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统来大量消耗控系统能量，又可利用主动控制系统来保证其控制效果。近年来混合控制研究主要以被动控制为主、主动控制为辅两者相结合的控制方式，取长补短，既保证了控制效果，又获得了经济效益。被动控制由于引入了主动控制，其控制效果显著加强;另一方面主动控制由于被动控制的参与，主动控制实施所需的控制力大大减小，节省了能源供给，控制系统的稳定性和可靠性都比单纯采用主动控制有所增强。
　　5、结语
　　经过众多研究人员以及工程设计人员的不懈努力，最近十年时间里，土木工程结构得到了迅速发展。随着现代社会的进步和发展，人们对结构抗振、减振的要求日益提高，结构的控制技术将会发展到更高的水平，越来越广泛地应用到实际工程。展望今后的一个时期，结构控制技术将如下几个方面发展，主要表现为：（1）控制手段的多样化；（2）被动控制技术的实用化和规范化；（3）半主动及混合控制技术的深入和完善；（4）传感器和作动器是实现振动主动控制的关键部件。
　　参考文献
　　[1] #p#副标题#e#Hounser,G.W.,etal.Structuralcontrol:past,present,andfuture.JournalofEngineeringMechanics,ASCE,1997,123(9):897～971.
　　[2] 周福霖.隔震耗能减震和结构控制技术的发展和应用（上、下）.世界地震工程.1989,(4);1990(1).
　　[3] 吴波,李惠.建筑结构被动控制的理论与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997