浅谈工程结构减震控制

　　摘要：工程结构的减震控制技术是土木工程的前沿领域.本文阐述了该领域的研究状况,包括被动控制、主动控制、混合控制和半主动控制。结合现行设计规范相关内容分析其优越性。
　　关键词：减震控制,隔震消能,减震
　　1引言
　　地震是人类需要面对的一种突发性、破坏性的自然灾害。由于其随机性，一直以来地震的发生难以准确预测，往往给人类造成灾难性后果。世界上破坏性的强地震平均每年约18次。20世纪以来，地震引起的经济损失达数千亿美元，并导致约136万人死亡和近千万人严重伤残。2008年，在我国汶川发生的8.0级地震导致的人员伤亡及财产损失更是惨重。因此，研究更加安全、经济、可靠的结构新体系是工程结构抗震领域的主要课题，对有效地减轻地震灾害有重要的现实意义。
　　传统结构抗震设计方法是依靠增加结构自身的强度、变形能力来抗震的,此时,容许很大的地震能量从地面传递给结构。而抗震设计主要考虑的问题是如何为结构提供抵抗这种地震作用的能力。尽管通过适当选择塑性铰的位置和仔细设计构件的细部构造可以确保结构的整体性和防止倒塌的发生,但结构构件的损伤是不可避免的[5]。而减震控制方法则是在工程机构的特定部位装设某种隔震装置，或某种耗能机构，或某种附加子结构，或施加外力，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，从而使工程结构在地震作用下的动力反应限制在容许的范围内，从而确保工程结构在地震作用下的安全性和适用性[1][2]。与传统结构抗震设计方法相比,减震控制方法具有安全可靠、更加有效、经济节省和适用范围广的优点,是工程结构防灾减灾积极有效的方法和技术。
　　2 工程结构控制减震机理
　　工程结构控制的减震机理，可简单地用结构的动力方程式予以说明。　　

　　工程结构控制就是通过调整结构的自振频率ω或自振周期T（通过改变K,M）或增大阻尼C，或施加外力F(t)，以大大减少结构的地震反应，并设为确保结构本身及结构中的人、仪器、装修等的安全和处于正常使用环境状况所允许的结构加速度、速度和位移反应值，只要满足式（2）即能确保结构本身及结构中的人、仪器、装修等的安全及处于正常使用环境状况：
　

　　3 国内外研究现状
　　1972年，美国普渡大学的J.T.P.Yao教授结合现代控制理论，首次明确提出了土木工程结构控制的概念。他在论文“结构控制的概念”和以后文章中指出:应用结构控制系统是解决结构工程安全性问题的一个可替代的方法,从而为结构控制理论在土木工程中的应用指出了光明的前景[6]。近40年来,国内外学者在结构控制的理论、方法、试验和工程应用等方面取得了大量的研究成果。
　　结构控制的概念可以简单表述为:在工程机构的特定部位装设某种隔震装置，或某种耗能机构，或某种附加子结构，或施加外力，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，从而使工程结构在地震作用下的动力反应限制在容许的范围内，从而确保工程结构在地震作用下的安全性和适用性[1][2]。结构减震控制根据是否需要外部能量输入可分为被动控制、主动控制、混合控制和半主动控制四类。如图所示：
　　3.1被动控制
　　被动控制是一种不需要外部能量的减震控制技术,一般是在结构的某个部位附加一个子系统,或对结构自身的某些构件做构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制因其构造简单、造价低、易于维护且无需外部能量支持等优点而引起了业内人士的高度关注,许多被动控制技术已日趋成熟，并在实际工程项目中得到了广泛应用。被动控制从控制机理上可分为基础隔震和耗能减震两大类[7]。
　　3.1.1基础隔震体系
　　基础隔震体系是指在结构物底部与基础面（或底部柱顶）之间设置某种隔震装置，以减小地震能量向上部的传输，达到减小结构振动的目的。隔震装置必须具备以下条件:具有较大的变形能力;具有足够的初始刚度和强度;能提供较大的阻尼,具有较大的耗能能力[5]。目前应用较广的隔震装置有夹层橡胶垫隔震装置;滚珠(滚轴)加钢板消能装置;粉粒垫层隔震装置;铅塞滞变阻尼器隔震装置;钢滞变阻尼器隔震装置;基底滑移隔震装置;悬挂基础隔震装置;混合隔震装置等。
　　基础隔震是发展最早、最快的结构减震控制方法,它在技术上比较成熟,减震效果明显,构造简单、造价经济,理论研究和试验研究成果也比较丰富和完善,是目前大多数减震控制结构所采用的方法。日本1985-1999年底,共建成隔震房屋约700栋。中国的隔震房屋也由1995年的30栋增加至70栋,近期又有部分隔震房屋建成。新西兰、美国等国家也有相当数量的隔震房屋建成,并且已有部分基础隔震房屋经受了实际地震考验。基础隔震不仅应用于建筑结构,在桥梁结构上应用也非常广泛,桥梁隔震与房屋隔震相似,不同的是隔震支座设置于桥墩与梁之间。1973年新西兰Motu桥首次采用了U形弯曲钢梁隔震系统。美国于1984年将隔震技术应用到桥梁上,对Sierrapoint桥进行抗震加固。日本于1990年建成第一座隔震桥梁———宫川大桥。至今,新西兰、意大利、日本和美国等已有数百座桥梁采用了隔震技术,并制定了相应的隔震设计规程。桥梁隔震形式有多种,其中使用最广的是铅芯橡胶支座。铅芯橡胶支座不仅可以提供较大的初始水平刚度以满足在正常使用荷载作用下只产生小位移,并能自动复位,又能以较小的屈服后刚度来实现期望的隔震效率。此外,铅芯橡胶支座可调参数多,性能较稳定,耐久性、抗疲劳性也均可满足桥梁的使用要求[5]。
　　3.1.2消能减震体系
　　消能减震体系是把结构物的某些非承重构件设计成消能杆件，或在结构的某些部位装设消能装置。在风或小地震时，这些消能构件或消能装置具有足够的初始刚度，处于弹性状态；当出现中、强地震时，随着结构侧向变形的增大，消能构件或消能装置率先进入非弹性状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，使主体结构避免出现明显的非弹性状态，并迅速衰减结构的地震响应。
　　3.1.3调谐质量阻尼振动控制系统（TMD）
　　调谐质量阻尼振动控制系统（TMD），由结构和附加在主结构上的子结构组成。附加的子结构具有质量、刚度和阻尼，因而可以调整子结构的自振频率，使其尽量接近主结构的基本频率或激振频率。这样，当主结构受激振而振动时，子结构就会产生一个与结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上，使主结构的振动反应衰减并受到控制。
　　3.1.4调谐液体阻尼振动控制系统（TLD）
　　TLD系统采用储存在某种容器中的液体质量作为子结构的质量，它的调谐减震作用是通过容器中液体振荡产生的动压力和粘性阻尼耗能来实现的。
　　3.1.5 质量泵
　　质量泵是一种液体质量阻尼器，通过导管中液体往复流动时的惯性和粘性来消耗能量。质量泵只需很少的液体便可发挥较大的等效质量和等效阻尼的作用。
　　3.1.6 液压－质量振动控制系统（HMS）与液压阻尼控制系统（HDS）
　　HMS系统由液压系统和质量块组成。当结构振动时，液体和质量块随之振动，从而耗散和吸收振动能量，实现对结构的减震作用。该系统具有结构简单、造价低廉和易于应用等特点，而且控制效果较好。用HMS系统控制底层柔性结构柔性底层的地震反应，能够满足底层大空间的建筑功能要求，同时使上部结构的底层位移反应减小。后来，在HMS系统的基础上，提出了HDS系统。
　　3.2 主动控制
　　结构主动控制是指利用外部能源，在结构物受激励振动过程中，按预定的减震控制目标，瞬时施加控制力或瞬时改变结构的动力特性，以迅速衰减和控制结构振动反应的一种减震技术。主动控制涉及多个技术领域，目前仍处于探索阶段，但主动控制更具有潜力。
　　3.2.1 主动质量阻尼系统（AMD）
　　AMD系统通过安装在结构上的监测器，连续监测结构反应的状态向量，根据闭环控制理论，计算机将由时变的状态向量和反馈向量得出控制力。然后利用电液伺服装置，在系统惯性质量与结构间提供一对控制作用力，用以调整主结构与惯性质量之间的能量分配。AMD系统抗震及抗风效果都较好，但对刚度较敏感，而且造价高。
　　3.2.2 主动拉索系统（ATS）
　　ATS系统是在拉索上安装液压伺服系统，并在结构中设置传感器，当外力作用时，传感器把测到的结构反应传给控制系统，控制系统在考虑了外激励的不确定性后，确定对拉索施加的控制力。该系统对阻尼和刚度的误差不敏感，但对时滞较敏感。它能提供横向及扭转控制力，控制效果较为理想。
　　3.2.3 主动支撑系统（ABS）
　　在抗侧力构件上增加斜撑，利用电液伺服系统控制斜撑的收缩运动，构成主动控制装置。该系统可利用结构上已有的支撑构件，适用于高层、高耸和大跨结构。
　　3.3 混合控制
　　混合控制是将主动控制与被动控制施加在同一结构上的结构振动控制形式。近年来研究最多的是以被动控制为主，主动控制为辅的主从结合方式，将被动控制与主动控制相结合，取长补短，既达到了保证建筑结构的抗震安全和风振舒适感，又获得了直接的经济效益和社会效益。
　　3.4 半主动控制
　　半主动控制一般以被动控制为主体，仅需少量能量用于改变被动系统的参数或工作状态，以适应系统对最优状态的跟踪。半主动控制比主动控制容易实施并更经济，而且控制效果又与主动控制相近，所以有较大的研究和应用开发价值。半主动控制机构往往都利用开关控制或称为“0－1”控制，通过开关改变控制器的工作状态，从而改变机构的动力性能，以达到比被动控制更好的控制效果。
　　4 结语
　　我国现行《建筑抗震设计规范》[4]第12节为“隔震和消能减震设计”，现各地已有许多采用隔震和消能减震技术的建筑，并且部分已经历了地震的考验。实践证明，隔震和消能减震概念明确、效果明显。
　　隔震体系就具备明显的减震能力，与传统的抗震体系相比较，隔震体系具有下述优越性：明显有效地减轻结构的地震反应、降低房屋造价、抗震措施简单明了、震后无需修复、上部结构的建筑设计限制较小等。
　　消能减震结构体系与传统抗震结构体系相比，具有以下优点：安全可靠、降低结构造价、有效减轻结构地震反应。
　　参考文献
　　1．周福霖．工程结构减震控制．地震出版社，1997
　　2．邓长根．日本建筑结构隔震减震研究新进展．世界地震工程，2002（3）
　　3．周福霖等．我国结构减震控制的研究应用与发展．第七届全国地震工程学术会议，2006
　　4．建筑抗震设计规范GB50011-2001．中国建筑工业出版社．2008
　　5．元兴军，土木工程结构减震控制方法综述，工程建筑，2006
　　6．刘勇，结构减震控制技术在土木工程中的应用，山西建筑，2006
　　7．李勇军，工程结构减震控制技术的发展，辽宁工程学院学报，2001
　　