土木工程結構振動控制的研究現狀與展望建筑工程論文
摘 要：近年來，我國土木工程行業發展迅速，且為推動建筑產業的發展做出了較大貢獻。為了進一步提高土木工程結構的穩定性和抗震性，文章以土木工程結構的振動控制作為主要研究對象，通過對其概念進行闡述，進而對其研究現狀展開了詳細的論述和分析，并對其在未來的發展方向予以全面展望。
關鍵詞：土木工程結構；振動控制；主動控制；被動控制
隨著地震災害的頻繁發生，傳統的基于構件承載與變形能力消耗地震能量的抗震方法已難以適應土木工程的抗震能力的新要求，在此背景下，作為現代控制理論中的重要組成部分，振動控制理論被引入土木工程結構的抗震研究領域當中，較好地提高了工程的穩定性與抗震性。
1 土木工程結構的振動控制概述
土木工程結構的振動控制即，將隔振墊等相關裝置或消能支撐和剪力墻等整體構件安置在結構的特定部位，在風火地震的作用下，使整體結構能夠得到合理控制并確保結構自身及其內部人員與設備處于安全狀態的一種振動控制技術。就現階段而言，關于土木工程結構振動控制的研究主要包括了被動控制、主動控制和混合控制。
2 主動控制
土木工程結構的主動控制裝置包括儀器測量系統以及控制和動力驅動系統，其中，儀器測量系統主要負責對結構的動力響應和外部傳達的激勵信息進行測量，控制系統負責對儀器測量系統所傳遞的測量信息進行處理，在實現控制律的同時，輸出相應的動力驅動系統指，而動力驅動系統在制定驅動下產生控制力，其所需的能量來源大都由外部能源結構予以攻擊，從而經輔助子結構將控制力作用在受控結構處，達到抗振目的。
目前，主動控制主要分為兩種類型，首先，是控制力型，其裝置主要包括主動質量阻尼系統與支撐系統、主動拉索系統以及氣體脈沖發生器和主動空氣動力擋風板系統。基于控制力型的主動控制是借助外部能源，當土木工程結構受到激勵而產生振動時，向結構施加相應的控制力，促使結構受振動而產生的振動反應能夠迅速得到有效控制。
其次，是基于結構性能可變型的主動控制技術，此類主動控制主要利用外界的激勵信息和土木工程結構的動力響應對其內部的各類參數進行調節和變更，旨在以較少的能量對控制系統的形態予以改變，從而促使結構動力特性發生變化減輕其振動相應。與基于控制力型的主動控制相比，結構性能可變型控制具有所需外部能量小、系統結構維護要求低和易于實施與成本較低等優勢，在控制效果方面也與控制力型的主動控制方法相接近，故此種主動控制技術具有更高的研究、使用和推廣價值。磁流與電流變液態阻尼器在結構性能可變型控制中也得到了部分應用，且取得了良好的抗振效果。
3 被動控制
借助相應裝置、機構或種子結構對土木工程結構的系統動力響應予以改變，從而促使其具備隔離、調諧以及耗能與吸能減震振功能的控制技術。主要包括了隔振以及耗能減振與吸能減振三種。其中，隔振即將隔振裝置安置在建筑物基礎與上部結構之間，并利用隔振裝置使地震所傳遞的能量大幅削減，進而使地震對上部結構的作用與隔振部位自身的變形得到良好控制。
在耗能減振方面，主要是通過將阻尼等耗能機構安置在工程的支撐、剪力墻和節點等相關結構處，借助相關耗能機構產生摩擦和彎曲彈塑性滯回變形耗能從而達到對地震能量進行耗散的目的。此種被控控制的原理在于，通過引入耗能機構，從而為土木工程結構提供較大阻尼，當發生地震時，其便產生蘇醒屈服與摩擦滑動，從而克服阻尼力做工，對輸入結構中振動能進行大幅消耗。
吸能減震則通過將種子結構置于結構當中，促使其振動產生位移，并在位移中使原結構與子結構所產生的振動能得以重新分配，進而減小土木工程整體結構的振動。當前，應用在土木工程結構中的吸能減振裝置主要包括調諧液體阻尼器和質量阻尼器、懸掛結構體系以及擺式質量阻尼器和液壓質量控制系統，此外，屋面水箱亦可在地震發生時產生相應減振效果，故可將其充當調諧質量阻尼器。
4 混合控制
由主動控制與被動控制結合而成的土木工程結構控制系統兼具主動與被動控制的優點，其借助被動控制對地震向結構施加的振動能量予以耗散，并利用主動控制確保結構控制能夠獲得良好效果，故具有良好的應用價值。還需說明的是，此種控制方法在土木工程結構中同時施加主動與被動控制，從整體行對其受地震激勵作用的相應進行分析，在克服單一被動控制應用局限性的同時，促使控制力得到有效減小，降低了系統對外部控制設備功率和體積的需求，從整體上提高了土木工程結構振動控制系統的經濟性與可靠性。就現階段而言，土木工程結構的混合控制系統主要包括了基于主動控制與耗能裝置相結合的控制系統以及主動控制和基礎隔振裝置相結合的控制系統。此外，模糊半主動控制策略在智能復合隔振系統系統中實施也較好地提高了土木工程結構的智能化控制水平，通過將被動隔振墊同磁流變液態智能阻尼器進行并聯連接，從而使得系統能夠有效減小建筑物隔振層位移和各層間的相對位移，具有良好的隔振效果。
5 土木工程結構振動控制展望
結合既有的土木工程結構振動控制技術發展情況，其今后的發展趨勢為：（1）以能量回收為基礎的土木工程結構振動控制。發生地震時，外界能量供給并不易得到良好保障，從而影響控制系統的應用效果，而以能量回收為基礎的結構振動控制則能夠較好地解決此類問題，通過引入高校的回收振動能量技術，并融入能量平衡理論，從而獲得良好的控制效果。（2）消除地鐵、有軌電車等交通設施對土木工程結構的垂直振動影響，此方面研究室三維隔振技術領域的關鍵技術，對于城市建筑物，需要加大對更為有效的三維隔振裝置的研究力度，從而消除相關交通設施對建筑物施加的振動作用。
6 結語
本文通過對土木工程結構的振動控制概念進行簡要說明，進而從主動控制、被動控制和混合控制三方面對其結構振動控制的相關技術做出了系統探析，并給出其結構振動控制技術的發展方向。研究結果表明，土木工程的結構振動控制技術對于提高其抗振性與穩定性具有至關重要的作用，未來，還需進一步加強對振動控制技術的研究與應用，從而促使土木工程結構與其內部人員的安全性得以全面提升。
參考文獻
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