土木工程結構減震控制技術論文
土木工程結構減震控制技術論文【1】
【摘要】隨著經濟的飛速發展以及城市化進程的不斷加快，在我國的土木工程建設工程也是日益增多，其規模更是越來越大。
本文從結構減震的角度出發，首先概述了隔震控制技術的基本原理，之后再根據其基本原理來論述土木工程結構減震的控制方法。
【關鍵詞】土木工程;結構減震;控制方法
一、隔震控制技術的基本原理 結構減震控制指的是在建筑結構的某個特定部位設置某種控制裝置、機構或種子結構，當結構出現振動的時候，主動或液壓質量振動被動的施加外力來改變或調整結構的動力作用或動力特性，從而有效降低結構的振動反應，其最終目的就是通過采取一系列控制措施和方法，降低建筑結構在地震等強動力荷載下的反應，增強建筑結構的穩定性能，為建筑結構的安全性提供保障。
由地震反應譜我們了解到，隨著周期的不斷加大，其加速度的反應譜就會逐漸的縮小，一般低層建筑的剛度是較大的，所以其周期是比較短的，在地震的時候其中的加速度是相對比較大的，所以假如我們采取一個相應的措施加大了其延長結構基本的自振周期，使其遠離場地的卓越周期，使得結構的基頻始終處于一個地震能量高的頻段以外，就可以有效地降低其建筑物的輸入加速度。
二、土木工程結構減震的控制技術 (一)被動控制 結構被動控制是指控制裝置不需要外部能源輸入的控制方式。
其特點是采用隔震、耗能減震和吸能減振等技術消耗振動能量，以達到減小結構振動反應的目的。
被動控制的優點是構造簡單、造價低、易于維護，并且不需要外部能源支持等。
目前，被廣泛采用的被動控制裝置有： (1)基礎隔震體系。
基礎隔振是在上部結構與基礎之間設置某種隔振消能裝置，以減小地震能量向上部的傳輸，從而達到減小上部結構振動的目的。
基礎隔振能顯著降低結構的自振頻率，適用于短周期的中低層建筑和剛性結構。
由于隔振僅對高頻地震波有效，因此對高層建筑不太適用。
(2)耗能減振體系。
常用的耗能元件有耗能支撐和耗能剪力墻等;常用的阻尼器有金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏彈性阻尼器、黏性液體阻尼器等。
(3)調諧減振系統。
常用的調諧減振系統有：調諧質量阻尼器(TMD )、調諧液體阻尼器(TLD)、液壓質量振動控制系統(HMS)等。
調諧質量阻尼器是一個小的振動系統，由質量塊、彈簧和阻尼器組成。
它對結構進行振動控制的機理是：原結構體系由于加入了TMD，其動力特性發生了變化。
原結構承受動力作用而劇烈振動時，由于TMD質量塊的慣性而向原結構施加反方向作用力，其阻尼也發揮耗能作用，從而使原 (二)主動控制 結構主動控制是利用外部能源， 在結構受激勵振動過程中， 對結構施加控制力或改變結構的動力特性， 從而迅速地減小結構的振動反應。
主動控制系統主要包括傳感器、控制器和作動器3 個組成部分。
目前有關主動控制的研究內容主要分為主動控制算法和主動控制裝置研究兩部分。
主動控制裝置主要有主動質量阻尼系( AMD) 、主動拉索系統( ATS ) 、主動支撐系統( ABS) 、主動空氣動力擋風板控制系統( ADA) 和氣體脈沖發生器控制系統( PC) 等。
主動控制算法是主動控制的基礎， 它的目標是使主動控制系統在滿足其狀態方程和各種約束條件下， 選擇合適的增益矩陣， 尋找最優的控制參數， 使系統達到較優的性能指標， 實現對結構的最優控制。
目前， 它的研究基本上是以理論分析、數據模擬分析為主， 且已取得較大的成就， 但主動控制技術尚未成熟。
從目前已有的研究來看， 其可行性還受到一些條件的制約： (1) 主動控制系統在地震中運作問題。
日本采用AMD 和HMD 的高層建筑， 在風振和環境振動時主動控制系統運作正常， 取得很好的控制效果。
但在大地震時， 很大部分的主動控制系統因故未能運作。
(2) 時滯問題。
主動控制系統在工作時由于信號處理、運算、電液伺服作動自動作等都需要一定的時間， 因此時間滯后問題是不可避免的。
時滯對控制系統的性能有很大影響，它使系統穩定性變差， 控制效率降低， 甚至可能產生負效應。
目前， 可以通過補償的方法來修正時滯。
(3)能量問題。
主動控制系統的運作需要依靠外部能源的輸入， 如何在地震中保證有可靠的能源， 需要特別注意。
(三)半主動控制 半主動結構控制參數控制，它是依賴于結構的振動反應或動荷載的信息實時改變結構的參數來減小結構的反應。
它更易于實施，并且它的控制系統更為可靠。
半主動結構控制的控制效果優于被動控制，略遜于主動控制。
半主動控制不需要外界能量輸入，因而是一種很有發展前景的抗震控制方法 (四)混合控制 混合控制是將主動控制和被動控制或智能控制等2種或2種以上控制方式，同時施加在同一結構上的結構減振控制形式。
近年研究較多的是以被動控制為主，主動控制為輔的主從組合方式。
它兼有2種控制的優點，又克服了各自的缺點，只需很小的能量輸入即可得到很好的控制效果。
目前，混合控制有主動質量阻尼系統(AMD)與調諧質量阻尼系統(TMD)或調諧液體阻尼系統(TLD)的混合控制，主動控制與基礎隔震的混合，主動控制與耗能減振的混合，液體質量控制系統和主動質量阻尼系統的混合。
目前，隔震和耗能減振的混合控制應用較為廣泛。
世界上第一個安裝混合質量阻尼器(HMD) 控制系統的建筑是日本東京清水公司技術研究所的7層建筑。
我國南京電視塔采用了主動質量阻尼系統AMD與調諧液體阻尼系統TLD相結合的混合控制系統來控制風振。
(五)智能控制 結構智能控制包括采用智能控制算法和智能驅動或智能阻尼裝置2類。
當結構遇到強烈的地震作用時可能進入非線性，結構構件的承載力和剛度發生退化，實際結構模型修正是結構振動控制的一個突出問題。
智能控制算法正是為了解決這一問題而引入的。
智能控制算法可以不依賴精確的結構模型，或者具有很強的學習及調整逼近能力。
目前研究的結構智能控制算法主要有： (1)模糊控制算法。
模糊控制主要通過狀態輸出和控制輸入的模糊邏輯關系，即模糊控制規則來實現系統的調節或控制。
(2)神經網絡控制算法。
人工神經網絡具有很強的非線性逼近、自學習和自適應、數據融合以及并行分布處理等能力，在多變量、強非線性系統的辨識、建模和控制中有明顯的優勢和應用前景。
另一類結構智能控制是指采用諸如磁(電)流變液體、壓電材料、磁(電)致伸縮材料和形狀記憶合金等智能驅動器的主動控制或智能阻尼器的半主動控制。
三、結束語 目前， 世界上許多國家開展了結構減震技術與理論的研究，并致力于該技術的推廣應用。
結構減震控制技術是一門科學性和技術性很強的應用科學，在結構設計中應用減震控制技術， 能很好地減小地震反應從而降低抗震等級， 同時建筑物的總造價增大不多。
另外， 隨著結構減震技術的發展， 減震系統造價不斷減低， 減震房屋的經濟效益會越來越突現。
結構減震技術代表著未來抗震技術的發展方向， 值得大力推廣應用。
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土木工程減震技術及其應用【2】
摘 要：隨著地震災害的頻繁發生，人們在土木工程施工中也必須要將抗震性能放在一個重要的位置，目前，土木工程的結構減震是防災減震最有效的方法之一，并且在實際應用中也取得了非常好的效果。
通過對土木工程結構減震控制方法的研究和應用，建筑在受到地震災害時所受到的破壞就會降到最低。
關鍵詞：土木工程;結構減震;原理;應用
1 減震控制采用的方法原理
建筑結構的抗震效果主要是通過對建筑中某個部位來加入防震設置來起到防震的作用，如果發生強烈的振動，那么抗震結構裝置就會主動的對外來施加的壓力進行力的調整，從而降低外力對整個建筑結構產生的強烈反應，而這一系列措施和方法在強烈的振動下才能夠表現出來，這不僅能夠起到穩定建筑整體結構的作用，同時也可以有效的保證建筑的使用安全，對于提高建筑的使用壽命也有著一定的效果。
2 土木工程結構減震的應用分析
2.1 被動控制。
結構減震的被動控制主要是利用減震以及隔震裝置來對振動的能量進行消耗，振動在建筑中傳播時碰到減震和隔震裝置就能夠被停止，采用被動控制的方法相對較為簡單，并且有著成本低以及維護方便等特點，在應用過程中表現出的效果也非常明顯，因此目前很多土木工程中都廣泛采用被動控制的減震措施。
2.1.1 耗能減震。
耗能減震的主要原理是將振動所產生的能量加以消耗，從而避免振動給建筑結構產生較大的作用力。
這種方法需要在建筑結構中加入耗能的部件，也可以在建筑結構的某些部位設置阻尼器來作為耗能減震的主要裝置，一旦建筑受到外力的干擾，那么耗能減震的部件就會進入到彈性的狀態，外來的作用力經過彈性部件的消耗后就會大大降低，同時一些荷載以及振動的作用在進入到結構中時，也可以產生非常好的保護作用，這樣對于穩定建筑的整體結構也有著非常好的效果。
而耗能裝置也有著不同的種類，并且按照需求的不同也可以將其分為不同的體系，其中一種為耗能構件減震體系，主要包括了有耗能支撐、耗能剪力墻等。
還有一種是阻尼器耗能減震體系，其中包括了金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器以及彈性阻尼器等等。
2.1.2 基礎隔震。
基礎隔震相比耗能隔震在建筑上的部位也有著一定的差異，通常情況下，基礎隔震會設置在上部結構和基礎之間，主要是對地面產生的振動傳輸進行阻隔，這樣上部的震動力就會大大降低，從而避免地震災害給建筑產生的危害。
基礎隔震裝置在設置過程中需要滿足一定的特性才可以加入到建筑結構當中，因此隔震裝置必須要有著較大的變形能力，并且能夠提供較大的耗能，這樣才能夠更好的保證建筑結構的穩定性。
2.1.3 調諧減震。
調諧減震是在建筑的主體結構中增加一些子結構，讓整體結構在受到震動的情況下降震動力轉移到子結構中，這樣震動能量在建筑結構中就會進行重新的分配，主結構所承受的振動能量也會相對減少，從而起到抗震保護的作用。
目前調諧減震系統中常用的主要有調諧質量阻尼器、模式質量阻尼器以及調諧液體阻尼器等不同類型，在應用過程中也都有著非常好的表現效果。
2.2 主動控制。
建筑結構的主動控制相比被動控制在原理上有著很大的區別，結構的主動控制主要是通過外部能源來降低振動過程中產生的作用力，從而有效的避免振動反應給建筑結構帶來的影響。
主動控制系統中包括了傳感器、控制器以及作動器三個部分，其中傳感器有著測量結構反應或者外部激勵信息的作用，而控制器能夠處理傳感器測量的信息，從而實現所需要的控制律，并且作為輸出作動器的指令。
主動控制不僅是現代控制理論的重要研究成果，同時也是科技創新發展的結晶。
在主動控制中，作動器的控制力可連續變化，所以其有著極廣的控制頻率，對外界不同激勵具有很強的適應性，能夠取得很好的控制效果。
常用的主動控制系統裝置主要有主動質量阻尼器、主動支撐系統、主動拉鎖系統等。
2.3 半主動控制。
半主動的控制是屬于一個參數的控制，其控制的過程完全的依賴于外部激勵以及結構反應的信息，進而再通過少量的能量而實時的改變結構的阻尼或是剛度等等的參數來減小結構的反應。
半主動的控制根本就不需要大量外部能源的輸入來直接性的提供一個控制力，只是其實施控制力的作動器就得需要少量的能量調節，這樣就可以使得其可以主動的利用結構振動的往復相對速度或是變形，在最大程度上來充分的實現主動最優控制力。
其中常見的半主動控制系統有變剛度變阻尼系統(AVSD)、可變阻尼系統(AVD)、可變剛度系統(AVS)以及主動調諧參數質量阻尼系統(AT-MD)等等。
2.4 混合控制。
混合控制是將主動控制和被動控制聯合起來應用，即將主動控制和被動控制同時應用于同一建筑結構減震中，可以將主動控制和被動控制兩種方法的優點充分發揮出來，彌補了單一控制方法的制約和不足，只需要小功率的能量輸入就能直接提供控制力，控制效果非常明顯，調諧范圍得以擴大，結構抗震系統的穩定性、實用性和安全性大大提升。
2.5 智能控制。
在土木工程結構減震方法中還有一種叫做智能控制算法，這種方法不依賴精確的結構模型，而且具有很強的學習及調整逼近能力。
3 建筑結構減震技術
3.1 消能減震設計原理。
消能減震設計主要指的是在抗側力結構中設置消能裝置，根據裝置結構局部變形的附加阻尼來消減建筑上部結構的地震能量，保證建筑主體結構在地震作用下不至于造成嚴重破壞。
消能裝置由阻尼器及消能支架等構件組成，消能結構一般不用改變建筑的結構，適用性強，抗震安全性能高。
3.2 技術要求。
對于那些需要減少地震水平位移的鋼結構及鋼筋混凝土結構的建筑工程通常要考慮建筑消能減震設計。
在建筑減震設計過程中應根據嚴重地震下的結構移位控制要求標準，合理選取消能部件。
消能部件應提供建筑結構的附加阻尼。
現有的減震部件主要有：橡膠墊隔震減震器、空氣阻尼式減震器、不銹鋼絲繩減震器、封閉形減震器等;其中消能部件主要由消能器及斜撐、墻體、節點及梁等支撐構件構成;消能器、斜撐、墻體及節點或梁的連接裝置應符合鋼結構或鋼筋混凝土結構構件的構件連接要求，并能擔負消能器施加給連接點的最大值作用力。
4 結構減震控制的最新研究及未來發展趨勢
從土木工程的結構減震的控制技術的發展情況來看，在耗能減震與基礎隔震方面的研究是比較多的，且方法和理論是較為成熟的，已經在大部分的實際工程之中來有效地加以應用，今后將向更加實用化以及規范化的方向發展。
地震波的頻譜特性與被動調諧質量減震裝置的減震效果緊密相連，對于不同的地震波表現出來的是一個比較大的離散性，其減震的效果的差別是比較大的。
5 結語
總之，結構減震控制技術具有很強的科學性以及技術性。
隨著土木工程結構的減震技術不斷應用與發展，減震系統的造價成本不斷得到減低，減震房屋的經濟效益與社會效益勢必會越來越凸出，也會更加受到人們的青睞。
參考文獻
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