淺談土木工程中及振動(dòng)控制

1、.<B style='color:black;background-color:#ffff66'>淺談</B>土木工程中的振動(dòng)控制 結(jié)構(gòu)控制可能是徹底解決這一問題的方法, 通過在結(jié)構(gòu)上設(shè)置控制機(jī)構(gòu), 由控制機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)共同控制抵御地震動(dòng)等動(dòng)力荷載, 使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)減小。結(jié)構(gòu)控制是人的主觀能動(dòng)性與自然的高度結(jié)合, 是結(jié)構(gòu)對(duì)策的新的里程碑。 結(jié)構(gòu)控制按是否需要外部能源和激勵(lì)以及結(jié)構(gòu)反應(yīng)的信號(hào), 可以分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、混合控制和半主動(dòng)控制。 被動(dòng)控制研究 結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制一般是指在結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位附加一個(gè)子系統(tǒng), 或?qū)Y(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件做構(gòu)造上的處理以改變結(jié)構(gòu)

2、體系的動(dòng)力特性。被動(dòng)控制因其構(gòu)造簡(jiǎn)單, 造價(jià)低, 易于維護(hù)且無需外界能源支持等優(yōu)點(diǎn)而引起了廣泛的關(guān)注, 并成為當(dāng)前應(yīng)用開發(fā)的熱點(diǎn)。許多被動(dòng)控制技術(shù)已日趨成熟, 并已在實(shí)際工程中應(yīng)用。下面簡(jiǎn)要介紹這些控制技術(shù)和裝置。 1、基礎(chǔ)隔震體系 基礎(chǔ)隔震體系是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置某種隔震消能裝置, 以減小地震能量向上部的傳輸, 達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。隔震裝置必須具備下面三項(xiàng)特性: 1 具有較大的變形能力; 2 具有足夠的初始剛度和強(qiáng)度; 3 提供較大的阻尼, 具有較大的耗能能力。 基礎(chǔ)隔震能顯著地降低結(jié)構(gòu)的自振頻率, 適用于短周期的中低層建筑和剛性結(jié)構(gòu)。由于隔震僅對(duì)高頻地震波有效, 因此對(duì)高層和超高

3、層建筑不太適用。另外, 橡膠隔震墊的老化和耐久性問題 , 以及隔震效果的定量設(shè)計(jì)問題還有待于進(jìn)一步的研究?；A(chǔ)隔震是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛, 也是最成熟的一項(xiàng)技術(shù)。 一些研究和應(yīng)用較廣的隔震裝置有: 1. 夾層橡膠墊隔震裝置; 2. 滾珠 或滾軸 加鋼板消能裝置;3. 粉粒墊層隔震裝置; 4. 鉛塞滯變阻尼器隔震裝置; 5. 鋼滯變阻尼器隔震裝置; 6. 基底滑移隔震裝置; 7. 懸掛基礎(chǔ)隔震裝置; 8. 混合隔震裝置等; 2、消能減震體系 消能減震體系是把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件設(shè)計(jì)成消能元件, 或在結(jié)構(gòu)物的某些部位裝設(shè)阻尼器。在風(fēng)載或小震時(shí), 這些消能構(gòu)件與阻尼器仍處于彈性狀態(tài), 結(jié)構(gòu)體系仍具有足夠

4、的側(cè)向剛度以滿足正常使用要求; 在強(qiáng)風(fēng)或強(qiáng)震作用下, 消能元件或阻尼器首先進(jìn)入非彈性狀態(tài), 產(chǎn)生較大的阻尼, 大量耗散能量, 使主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)減小。 消能減震體系按其消能裝置的不同, 可分為兩類: 1 消能構(gòu)件減震體系: 利用結(jié)構(gòu)的非承重構(gòu) 件作為消能裝置的結(jié)構(gòu)減震體系, 常用的消能構(gòu)件有: a 消能支撐: 包括方框消能支撐、圓形消能支撐、K形偏心消能支撐等。 b 消能剪力墻 : 有橫縫剪力墻、豎縫剪力墻、周邊縫剪力墻和阻尼器剪力墻等。 2 阻尼器消能減震體系: 強(qiáng)震時(shí)通過阻尼器耗散能量。 a 摩擦阻尼器: 利用摩擦力做功耗散能量。 b 金屬阻尼器: 利用某些金屬具有的彈塑性滯回變形耗能,

5、 包括軟鋼耗能裝置、鉛擠壓阻尼器、記憶合金 SMA 耗能器。 c 粘性和粘彈性阻尼器 : 利用阻尼器材料分子的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)摩擦耗能。 消能減震體系適用于高層建筑、超高層建筑和高聳構(gòu)筑物, 對(duì)抗震和抗風(fēng)都有效,而且性能可靠; 但裝設(shè)數(shù)量少時(shí)作用不大, 數(shù)量多時(shí)造價(jià)顯著增加。對(duì)消能減震體系的計(jì)算, 目前也尚未建立起較為成熟通用的方法。 3、調(diào)諧質(zhì)量阻尼振動(dòng)控制系 TMD TMD 系統(tǒng)是在結(jié)構(gòu)頂層加上慣性質(zhì)量, 并配以彈簧和阻尼器與主結(jié)構(gòu)相連, 應(yīng)用共振原理, 對(duì)結(jié)構(gòu)的某一振型加以控制。通常慣性質(zhì)量可以是高層或高聳結(jié)構(gòu)的水箱、機(jī)房或旋轉(zhuǎn)餐廳。由于TMD 能有效地衰減結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng), 安全、經(jīng)濟(jì), 已被廣

6、泛用作高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)及大跨橋梁的抗震抗風(fēng)裝置。TMD 不僅可用于新建建筑, 而且通過“加層減震”技術(shù)可以改善已有房屋的耐震性能。 TMD 體系有三種: 1 支承式; 2 懸吊式; 3 碰擊式。 1、 支承式TMD 滑塊的啟動(dòng)存在著嚴(yán)重的時(shí)間滯后, 而且地震能量密度譜較寬, 因此TMD 抗震效果不如抗風(fēng)效果好。 2、目前有一種帶杠桿和擺的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 TMDL P , 該控制系統(tǒng)能顯著降低高層建筑的水平位移、扭轉(zhuǎn)位移和加速度反應(yīng), 而且其調(diào)諧質(zhì)量塊在地震激勵(lì)下的位移比TMD 的位移小。該系統(tǒng)可以通過在結(jié)構(gòu)的頂層設(shè)置多個(gè)擺, 用以控制高層建筑或高聳結(jié)構(gòu)的前幾階振型。 4、調(diào)諧液體阻尼振動(dòng)控制

7、系統(tǒng) TLD TLD 同樣采用共振原理, 依靠液體的振蕩來吸收和消耗主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量, 減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。 TLD 系統(tǒng)相對(duì)于TMD 造價(jià)較低, 不需要特別的裝置, 對(duì)容器的形狀也無特殊的限制, 不需要維修, 可以方便地設(shè)置在已有建筑之上, 并可兼作水箱之用。 與TMD 一樣, TLD 一般也僅適用于抗風(fēng)。由于風(fēng)與地震不一定存在共同的有效的減振頻帶, 調(diào)諧被動(dòng)控制用于抗震時(shí)甚至可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)效應(yīng)。 5、質(zhì)量泵 質(zhì)量泵是一種液體質(zhì)量阻尼器, 通過導(dǎo)管中液體往復(fù)流動(dòng)時(shí)的慣性和粘性來消耗能量。質(zhì)量泵只需很少的液體便可發(fā)揮較大的等效質(zhì)量和等效阻尼的作用。用質(zhì)量泵能消除結(jié)構(gòu)的鞭梢效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)中

8、, 質(zhì)量泵能有效地減小高層建筑結(jié)構(gòu)頂層加速度反應(yīng), 但對(duì)減小基底剪力和頂層位移反應(yīng)效果不明顯; 抗震時(shí), 質(zhì)量泵對(duì)高振型效果較好, 但對(duì)第一振型影響不顯著。 6、液壓- 質(zhì)量振動(dòng)控制系統(tǒng) HMS HMS 系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)和質(zhì)量塊組成。當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí), 液體和質(zhì)量塊隨之振動(dòng), 從而耗散和吸收振動(dòng)能量, 實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的減振作用。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉和易于應(yīng)用等特點(diǎn), 而且控制效果較好。用HMS 系統(tǒng)控制底層柔性結(jié)構(gòu)柔性底層的地震反應(yīng), 同時(shí)使上部結(jié)構(gòu)的底層位移反應(yīng)減小, 而且能夠滿足底層大空間的建筑功能要求。 此外, 還有一些被動(dòng)控制體系, 如拉索系統(tǒng)、懸掛結(jié)構(gòu)體系、多結(jié)構(gòu)聯(lián)系振動(dòng)控制系統(tǒng)、柔性

9、層體系等。 7、被動(dòng)控制有待研究的問題 被動(dòng)控制系統(tǒng)不需要外部能源, 一般只對(duì)某種設(shè)定的地震動(dòng)特征進(jìn)行控制, 缺乏跟蹤和調(diào)節(jié)的能力。其效果明顯依賴于輸入激勵(lì)的頻譜特性和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。目前對(duì)于被動(dòng)控制的研究主要存在下面幾個(gè)問題 : 1 被動(dòng)控制裝置的研究: 一方面研究新的、有效的、經(jīng)濟(jì)效益好的被動(dòng)控制裝置。另一方面對(duì)現(xiàn)有的被動(dòng)控制裝置進(jìn)行研究, 消除其局限性, 擴(kuò)大其適用范圍; 2 被動(dòng)控制裝置耐久性的研究及其材料性能的研究; 3 被動(dòng)控制減震效果的定量設(shè)計(jì)控制問題; 4 被動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性研究: 包括結(jié)構(gòu)自身可靠性與控制器可靠性的研究; 5 被動(dòng)控制裝置的安裝、維修與更換; 6 被動(dòng)控制的

10、應(yīng)用開發(fā)研究: 包括編制我國(guó)的減震技術(shù)規(guī)程, 進(jìn)一步推廣并正確指導(dǎo)應(yīng)用減震技術(shù)。 主動(dòng)控制研究 主動(dòng)控制是應(yīng)用現(xiàn)代控制技術(shù), 對(duì)輸入地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤和預(yù)測(cè), 并通過作動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力來改變結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)特性, 使結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)性能滿足一定的優(yōu)化準(zhǔn)則, 以達(dá)到減小或抑制結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的控制方法。由于實(shí)時(shí)控制力可以隨輸入地震改變, 其控制效果基本上不依賴于地震波的特性, 因此明顯優(yōu)于被動(dòng)控制。 結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的研究涉及控制理論、隨機(jī)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)工程、材料科學(xué)、生物科學(xué)、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、振動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)控制技術(shù), 是一門交叉學(xué)科。主動(dòng)控制通常包括兩類基本控制方式: 開環(huán)控制和閉環(huán)

11、控制。 開環(huán)控制方法是直接對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)輸入進(jìn)行量測(cè), 根據(jù)系統(tǒng)擾動(dòng)輸入的情況綜合出控制律。開環(huán)控制的在線計(jì)算量較小, 對(duì)系統(tǒng)元件的精度要求較高, 抗干擾力差。 主動(dòng)閉環(huán)控制法是通過適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)狀態(tài)反饋或輸出反饋, 產(chǎn)生一定的控制作用, 從而控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。閉環(huán)控制的在線計(jì)算量較大, 但具有較高的擾干擾的能力, 對(duì)控制元件的要求也不高, 而且能保持連續(xù)地對(duì)較高控制效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 目前對(duì)主動(dòng)控制的研究多集中在理論領(lǐng)域, 提出了相當(dāng)多的控制算法。 主動(dòng)控制算法 土木工程中應(yīng)用的主動(dòng)控制算法最初直接引用了現(xiàn)代控制理論的一般結(jié)果, 如經(jīng)典線性最優(yōu)控制法等, 這些算法目前仍是主動(dòng)控制算法建立的依據(jù)。也有一些是

12、根據(jù)土木工程的特點(diǎn), 專門用于土木工程的主動(dòng)控制算法, 如瞬時(shí)最優(yōu)控制算法等。 1 經(jīng)典線性最優(yōu)控制法 該算法基于現(xiàn)代控制理論, 以線性二次型性能指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)來確定控制力與狀態(tài)向量之間的關(guān)系式。目標(biāo)函數(shù)中用權(quán)矩陣來協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)性與安全性之間的關(guān)系, 需求解Riccati 方程。由于該算法忽略了荷載項(xiàng), 嚴(yán)格說來, 由它得到的控制不是最優(yōu)控制;但數(shù)值分析和有限的試驗(yàn)證明, 這一控制算法雖然不是最優(yōu)的, 但是可行的和有效的。 2 瞬時(shí)最優(yōu)控制算法 該算法以瞬時(shí)狀態(tài)反應(yīng)和控制力的二次型作為目標(biāo)函數(shù), 在動(dòng)荷載作用的時(shí)間范圍內(nèi), 每一瞬時(shí)都實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)函數(shù)最小化。該算法不需求解Riccati 方程, 計(jì)算

13、量減小;增益矩陣與受控結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)特性無關(guān), 控制系統(tǒng)的魯棒性能較好; 具有時(shí)間步進(jìn)性, 可推廣用于非線性、時(shí)變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。但該算法只是一種局部最優(yōu)控制算法, 從控制結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)這個(gè)意義上講, 仍然不是最優(yōu)控制。 3 極點(diǎn)配置法 在狀態(tài)空間里, 系統(tǒng)矩陣決定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。可通過選擇適當(dāng)?shù)脑鲆婢仃? 使閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性取得滿足設(shè)計(jì)者要求的預(yù)期值, 這就是極點(diǎn)配置法。極點(diǎn)配置法在僅考慮對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)影響較大的少數(shù)幾階振型時(shí), 可以很容易實(shí)現(xiàn)。但這種方法所選擇的增益矩陣通常都不是唯一的。因此極點(diǎn)配置法得出的控制律也不是最優(yōu)的, 但該算法較為簡(jiǎn)單、易行。 4 獨(dú)立模態(tài)空間控制法 獨(dú)立模態(tài)空間控制法是基于振動(dòng)體系振型分解的概念建立的, 多個(gè)自由度體系的運(yùn)動(dòng)方程由正交原理可分解為個(gè)獨(dú)立的對(duì)應(yīng)不同模態(tài)的單自由度運(yùn)動(dòng)方程, 對(duì)各模態(tài)可分別進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。對(duì)于求出的模態(tài)控制作用通過模態(tài)的參與矩陣進(jìn)行線性變換, 由模態(tài)控制作用得出結(jié)構(gòu)控制作用。為了節(jié)省時(shí)間, 控制設(shè)計(jì)可只針對(duì)幾個(gè)主要振型進(jìn)行。 該算法的