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土木工程結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)論文
土木工程結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)論文【1】
【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的不斷加快，在我國的土木工程建設(shè)工程也是日益增多，其規(guī)模更是越來越大。
本文從結(jié)構(gòu)減震的角度出發(fā)，首先概述了隔震控制技術(shù)的基本原理，之后再根據(jù)其基本原理來論述土木工程結(jié)構(gòu)減震的控制方法。
【關(guān)鍵詞】土木工程;結(jié)構(gòu)減震;控制方法
一、隔震控制技術(shù)的基本原理 結(jié)構(gòu)減震控制指的是在建筑結(jié)構(gòu)的某個(gè)特定部位設(shè)置某種控制裝置、機(jī)構(gòu)或種子結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動(dòng)的時(shí)候，主動(dòng)或液壓質(zhì)量振動(dòng)被動(dòng)的施加外力來改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用或動(dòng)力特性，從而有效降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，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(jié)構(gòu)在地震等強(qiáng)動(dòng)力荷載下的反應(yīng)，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，為建筑結(jié)構(gòu)的安全性提供保障。
由地震反應(yīng)譜我們了解到，隨著周期的不斷加大，其加速度的反應(yīng)譜就會(huì)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(shí)候其中的加速度是相對(duì)比較大的，所以假如我們采取一個(gè)相應(yīng)的措施加大了其延長結(jié)構(gòu)基本的自振周期，使其遠(yuǎn)離場(chǎng)地的卓越周期，使得結(jié)構(gòu)的基頻始終處于一個(gè)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(jié)構(gòu)減震的控制技術(shù) (一)被動(dòng)控制 結(jié)構(gòu)被動(dòng)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(diǎn)是采用隔震、耗能減震和吸能減振等技術(shù)消耗振動(dòng)能量，以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的目的。
被動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于維護(hù)，并且不需要外部能源支持等。
目前，被廣泛采用的被動(dòng)控制裝置有： (1)基礎(chǔ)隔震體系。
基礎(chǔ)隔振是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)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(dá)到減小上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。
基礎(chǔ)隔振能顯著降低結(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)。
由于隔振僅對(duì)高頻地震波有效，因此對(duì)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(diào)諧減振系統(tǒng)。
常用的調(diào)諧減振系統(tǒng)有：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD )、調(diào)諧液體阻尼器(TLD)、液壓質(zhì)量振動(dòng)控制系統(tǒng)(HMS)等。
調(diào)諧質(zhì)量阻尼器是一個(gè)小的振動(dòng)系統(tǒng)，由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成。
它對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)控制的機(jī)理是：原結(jié)構(gòu)體系由于加入了TMD，其動(dòng)力特性發(fā)生了變化。
原結(jié)構(gòu)承受動(dòng)力作用而劇烈振動(dòng)時(shí)，由于TMD質(zhì)量塊的慣性而向原結(jié)構(gòu)施加反方向作用力，其阻尼也發(fā)揮耗能作用，從而使原 (二)主動(dòng)控制 結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制是利用外部能源， 在結(jié)構(gòu)受激勵(lì)振動(dòng)過程中， 對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力或改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性， 從而迅速地減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)。
主動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括傳感器、控制器和作動(dòng)器3 個(gè)組成部分。
目前有關(guān)主動(dòng)控制的研究內(nèi)容主要分為主動(dòng)控制算法和主動(dòng)控制裝置研究兩部分。
主動(dòng)控制裝置主要有主動(dòng)質(zhì)量阻尼系( AMD) 、主動(dòng)拉索系統(tǒng)( ATS ) 、主動(dòng)支撐系統(tǒng)( ABS) 、主動(dòng)空氣動(dòng)力擋風(fēng)板控制系統(tǒng)( ADA) 和氣體脈沖發(fā)生器控制系統(tǒng)( PC) 等。
主動(dòng)控制算法是主動(dòng)控制的基礎(chǔ)， 它的目標(biāo)是使主動(dòng)控制系統(tǒng)在滿足其狀態(tài)方程和各種約束條件下， 選擇合適的增益矩陣， 尋找最優(yōu)的控制參數(shù)， 使系統(tǒng)達(dá)到較優(yōu)的性能指標(biāo)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)控制。
目前， 它的研究基本上是以理論分析、數(shù)據(jù)模擬分析為主， 且已取得較大的成就， 但主動(dòng)控制技術(shù)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(dòng)控制系統(tǒng)在地震中運(yùn)作問題。
日本采用AMD 和HMD 的高層建筑， 在風(fēng)振和環(huán)境振動(dòng)時(shí)主動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)作正常， 取得很好的控制效果。
但在大地震時(shí)， 很大部分的主動(dòng)控制系統(tǒng)因故未能運(yùn)作。
(2) 時(shí)滯問題。
主動(dòng)控制系統(tǒng)在工作時(shí)由于信號(hào)處理、運(yùn)算、電液伺服作動(dòng)自動(dòng)作等都需要一定的時(shí)間， 因此時(shí)間滯后問題是不可避免的。
時(shí)滯對(duì)控制系統(tǒng)的性能有很大影響，它使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差， 控制效率降低， 甚至可能產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。
目前， 可以通過補(bǔ)償?shù)姆椒▉硇拚龝r(shí)滯。
(3)能量問題。
主動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)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(dòng)控制 半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制參數(shù)控制，它是依賴于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)或動(dòng)荷載的信息實(shí)時(shí)改變結(jié)構(gòu)的參數(shù)來減小結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。
它更易于實(shí)施，并且它的控制系統(tǒng)更為可靠。
半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制的控制效果優(yōu)于被動(dòng)控制，略遜于主動(dòng)控制。
半主動(dòng)控制不需要外界能量輸入，因而是一種很有發(fā)展前景的抗震控制方法 (四)混合控制 混合控制是將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制或智能控制等2種或2種以上控制方式，同時(shí)施加在同一結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)減振控制形式。
近年研究較多的是以被動(dòng)控制為主，主動(dòng)控制為輔的主從組合方式。
它兼有2種控制的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，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(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(AMD)與調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(TMD)或調(diào)諧液體阻尼系統(tǒng)(TLD)的混合控制，主動(dòng)控制與基礎(chǔ)隔震的混合，主動(dòng)控制與耗能減振的混合，液體質(zhì)量控制系統(tǒng)和主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的混合。
目前，隔震和耗能減振的混合控制應(yīng)用較為廣泛。
世界上第一個(gè)安裝混合質(zhì)量阻尼器(HMD) 控制系統(tǒng)的建筑是日本東京清水公司技術(shù)研究所的7層建筑。
我國南京電視塔采用了主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)AMD與調(diào)諧液體阻尼系統(tǒng)TLD相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)來控制風(fēng)振。
(五)智能控制 結(jié)構(gòu)智能控制包括采用智能控制算法和智能驅(qū)動(dòng)或智能阻尼裝置2類。
當(dāng)結(jié)構(gòu)遇到強(qiáng)烈的地震作用時(shí)可能進(jìn)入非線性，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和剛度發(fā)生退化，實(shí)際結(jié)構(gòu)模型修正是結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的一個(gè)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(jié)構(gòu)模型，或者具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)及調(diào)整逼近能力。
目前研究的結(jié)構(gòu)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(tài)輸出和控制輸入的模糊邏輯關(guān)系，即模糊控制規(guī)則來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)或控制。
(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性逼近、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)、數(shù)據(jù)融合以及并行分布處理等能力，在多變量、強(qiáng)非線性系統(tǒng)的辨識(shí)、建模和控制中有明顯的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。
另一類結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)器的主動(dòng)控制或智能阻尼器的半主動(dòng)控制。
三、結(jié)束語 目前， 世界上許多國家開展了結(jié)構(gòu)減震技術(shù)與理論的研究，并致力于該技術(shù)的推廣應(yīng)用。
結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)是一門科學(xué)性和技術(shù)性很強(qiáng)的應(yīng)用科學(xué)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用減震控制技術(shù)， 能很好地減小地震反應(yīng)從而降低抗震等級(jí)， 同時(shí)建筑物的總造價(jià)增大不多。
另外， 隨著結(jié)構(gòu)減震技術(shù)的發(fā)展， 減震系統(tǒng)造價(jià)不斷減低， 減震房屋的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)越來越突現(xiàn)。
結(jié)構(gòu)減震技術(shù)代表著未來抗震技術(shù)的發(fā)展方向， 值得大力推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn) [1]涂勇 土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究方法綜述[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì). 2011(08) [2]周可哥. 工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究綜述[J]. 安徽建筑. 2010(02) [3]胡迪春. 振動(dòng)控制在土木工程中的應(yīng)用探討[J]. 中國水運(yùn)(下半月). 2008(07)
土木工程減震技術(shù)及其應(yīng)用【2】
摘 要：隨著地震災(zāi)害的頻繁發(fā)生，人們?cè)谕聊竟こ淌┕ぶ幸脖仨氁獙⒖拐鹦阅芊旁谝粋�(gè)重要的位置，目前，土木工程的結(jié)構(gòu)減震是防災(zāi)減震最有效的方法之一，并且在實(shí)際應(yīng)用中也取得了非常好的效果。
通過對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)減震控制方法的研究和應(yīng)用，建筑在受到地震災(zāi)害時(shí)所受到的破壞就會(huì)降到最低。
關(guān)鍵詞：土木工程;結(jié)構(gòu)減震;原理;應(yīng)用
1 減震控制采用的方法原理
建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果主要是通過對(duì)建筑中某個(gè)部位來加入防震設(shè)置來起到防震的作用，如果發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，那么抗震結(jié)構(gòu)裝置就會(huì)主動(dòng)的對(duì)外來施加的壓力進(jìn)行力的調(diào)整，從而降低外力對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的強(qiáng)烈反應(yīng)，而這一系列措施和方法在強(qiáng)烈的振動(dòng)下才能夠表現(xiàn)出來，這不僅能夠起到穩(wěn)定建筑整體結(jié)構(gòu)的作用，同時(shí)也可以有效的保證建筑的使用安全，對(duì)于提高建筑的使用壽命也有著一定的效果。
2 土木工程結(jié)構(gòu)減震的應(yīng)用分析
2.1 被動(dòng)控制。
結(jié)構(gòu)減震的被動(dòng)控制主要是利用減震以及隔震裝置來對(duì)振動(dòng)的能量進(jìn)行消耗，振動(dòng)在建筑中傳播時(shí)碰到減震和隔震裝置就能夠被停止，采用被動(dòng)控制的方法相對(duì)較為簡(jiǎn)單，并且有著成本低以及維護(hù)方便等特點(diǎn)，在應(yīng)用過程中表現(xiàn)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(dòng)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(dòng)所產(chǎn)生的能量加以消耗，從而避免振動(dòng)給建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的作用力。
這種方法需要在建筑結(jié)構(gòu)中加入耗能的部件，也可以在建筑結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)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(huì)進(jìn)入到彈性的狀態(tài)，外來的作用力經(jīng)過彈性部件的消耗后就會(huì)大大降低，同時(shí)一些荷載以及振動(dòng)的作用在進(jìn)入到結(jié)構(gòu)中時(shí)，也可以產(chǎn)生非常好的保護(hù)作用，這樣對(duì)于穩(wěn)定建筑的整體結(jié)構(gòu)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(gòu)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(chǔ)隔震。
基礎(chǔ)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(chǔ)隔震會(huì)設(shè)置在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間，主要是對(duì)地面產(chǎn)生的振動(dòng)傳輸進(jìn)行阻隔，這樣上部的震動(dòng)力就會(huì)大大降低，從而避免地震災(zāi)害給建筑產(chǎn)生的危害。
基礎(chǔ)隔震裝置在設(shè)置過程中需要滿足一定的特性才可以加入到建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
2.1.3 調(diào)諧減震。
調(diào)諧減震是在建筑的主體結(jié)構(gòu)中增加一些子結(jié)構(gòu)，讓整體結(jié)構(gòu)在受到震動(dòng)的情況下降震動(dòng)力轉(zhuǎn)移到子結(jié)構(gòu)中，這樣震動(dòng)能量在建筑結(jié)構(gòu)中就會(huì)進(jìn)行重新的分配，主結(jié)構(gòu)所承受的振動(dòng)能量也會(huì)相對(duì)減少，從而起到抗震保護(hù)的作用。
目前調(diào)諧減震系統(tǒng)中常用的主要有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、模式質(zhì)量阻尼器以及調(diào)諧液體阻尼器等不同類型，在應(yīng)用過程中也都有著非常好的表現(xiàn)效果。
2.2 主動(dòng)控制。
建筑結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控制相比被動(dòng)控制在原理上有著很大的區(qū)別，結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控制主要是通過外部能源來降低振動(dòng)過程中產(chǎn)生的作用力，從而有效的避免振動(dòng)反應(yīng)給建筑結(jié)構(gòu)帶來的影響。
主動(dòng)控制系統(tǒng)中包括了傳感器、控制器以及作動(dòng)器三個(gè)部分，其中傳感器有著測(cè)量結(jié)構(gòu)反應(yīng)或者外部激勵(lì)信息的作用，而控制器能夠處理傳感器測(cè)量的信息，從而實(shí)現(xiàn)所需要的控制律，并且作為輸出作動(dòng)器的指令。
主動(dòng)控制不僅是現(xiàn)代控制理論的重要研究成果，同時(shí)也是科技創(chuàng)新發(fā)展的結(jié)晶。
在主動(dòng)控制中，作動(dòng)器的控制力可連續(xù)變化，所以其有著極廣的控制頻率，對(duì)外界不同激勵(lì)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠取得很好的控制效果。
常用的主動(dòng)控制系統(tǒng)裝置主要有主動(dòng)質(zhì)量阻尼器、主動(dòng)支撐系統(tǒng)、主動(dòng)拉鎖系統(tǒng)等。
2.3 半主動(dòng)控制。
半主動(dòng)的控制是屬于一個(gè)參數(shù)的控制，其控制的過程完全的依賴于外部激勵(lì)以及結(jié)構(gòu)反應(yīng)的信息，進(jìn)而再通過少量的能量而實(shí)時(shí)的改變結(jié)構(gòu)的阻尼或是剛度等等的參數(shù)來減小結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。
半主動(dòng)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(gè)控制力，只是其實(shí)施控制力的作動(dòng)器就得需要少量的能量調(diào)節(jié)，這樣就可以使得其可以主動(dòng)的利用結(jié)構(gòu)振動(dòng)的往復(fù)相對(duì)速度或是變形，在最大程度上來充分的實(shí)現(xiàn)主動(dòng)最優(yōu)控制力。
其中常見的半主動(dòng)控制系統(tǒng)有變剛度變阻尼系統(tǒng)(AVSD)、可變阻尼系統(tǒng)(AVD)、可變剛度系統(tǒng)(AVS)以及主動(dòng)調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(AT-MD)等等。
2.4 混合控制。
混合控制是將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制聯(lián)合起來應(yīng)用，即將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制同時(shí)應(yīng)用于同一建筑結(jié)構(gòu)減震中，可以將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩種方法的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來，彌補(bǔ)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(diào)諧范圍得以擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)抗震系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)用性和安全性大大提升。
2.5 智能控制。
在土木工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型，而且具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)及調(diào)整逼近能力。
3 建筑結(jié)構(gòu)減震技術(shù)
3.1 消能減震設(shè)計(jì)原理。
消能減震設(shè)計(jì)主要指的是在抗側(cè)力結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能裝置，根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)局部變形的附加阻尼來消減建筑上部結(jié)構(gòu)的地震能量，保證建筑主體結(jié)構(gòu)在地震作用下不至于造成嚴(yán)重破壞。
消能裝置由阻尼器及消能支架等構(gòu)件組成，消能結(jié)構(gòu)一般不用改變建筑的結(jié)構(gòu)，適用性強(qiáng)，抗震安全性能高。
3.2 技術(shù)要求。
對(duì)于那些需要減少地震水平位移的鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑工程通常要考慮建筑消能減震設(shè)計(jì)。
在建筑減震設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)嚴(yán)重地震下的結(jié)構(gòu)移位控制要求標(biāo)準(zhǔn)，合理選取消能部件。
消能部件應(yīng)提供建筑結(jié)構(gòu)的附加阻尼。
現(xiàn)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(jié)點(diǎn)及梁等支撐構(gòu)件構(gòu)成;消能器、斜撐、墻體及節(jié)點(diǎn)或梁的連接裝置應(yīng)符合鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)件連接要求，并能擔(dān)負(fù)消能器施加給連接點(diǎn)的最大值作用力。
4 結(jié)構(gòu)減震控制的最新研究及未來發(fā)展趨勢(shì)
從土木工程的結(jié)構(gòu)減震的控制技術(shù)的發(fā)展情況來看，在耗能減震與基礎(chǔ)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(jīng)在大部分的實(shí)際工程之中來有效地加以應(yīng)用，今后將向更加實(shí)用化以及規(guī)范化的方向發(fā)展。
地震波的頻譜特性與被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量減震裝置的減震效果緊密相連，對(duì)于不同的地震波表現(xiàn)出來的是一個(gè)比較大的離散性，其減震的效果的差別是比較大的。
5 結(jié)語
總之，結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)具有很強(qiáng)的科學(xué)性以及技術(shù)性。
隨著土木工程結(jié)構(gòu)的減震技術(shù)不斷應(yīng)用與發(fā)展，減震系統(tǒng)的造價(jià)成本不斷得到減低，減震房屋的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益勢(shì)必會(huì)越來越凸出，也會(huì)更加受到人們的青睞。
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