土木工程结构减震控制技术论文

时间：2022-10-09 00:48:15 土木工程毕业论文我要投稿

相关推荐

土木工程结构减震控制技术论文

　　土木工程结构减震控制技术论文【1】

土木工程结构减震控制技术论文

　　【摘要】随着经济的飞速发展以及城市化进程的不断加快，在我国的土木工程建设工程也是日益增多，其规模更是越来越大。

　　本文从结构减震的角度出发，首先概述了隔震控制技术的基本原理，之后再根据其基本原理来论述土木工程结构减震的控制方法。

　　【关键词】土木工程;结构减震;控制方法

　　一、隔震控制技术的基本原理结构减震控制指的是在建筑结构的某个特定部位设置某种控制装置、机构或种子结构，当结构出现振动的时候，主动或液压质量振动被动的施加外力来改变或调整结构的动力作用或动力特性，从而有效降低结构的振动反应，其最终目的就是通过采取一系列控制措施和方法，降低建筑结构在地震等强动力荷载下的反应，增强建筑结构的稳定性能，为建筑结构的安全性提供保障。

　　由地震反应谱我们了解到，随着周期的不断加大，其加速度的反应谱就会逐渐的缩小，一般低层建筑的刚度是较大的，所以其周期是比较短的，在地震的时候其中的加速度是相对比较大的，所以假如我们采取一个相应的措施加大了其延长结构基本的自振周期，使其远离场地的卓越周期，使得结构的基频始终处于一个地震能量高的频段以外，就可以有效地降低其建筑物的输入加速度。

　　二、土木工程结构减震的控制技术 (一)被动控制结构被动控制是指控制装置不需要外部能源输入的控制方式。

　　其特点是采用隔震、耗能减震和吸能减振等技术消耗振动能量，以达到减小结构振动反应的目的。

　　被动控制的优点是构造简单、造价低、易于维护，并且不需要外部能源支持等。

　　目前，被广泛采用的被动控制装置有： (1)基础隔震体系。

　　基础隔振是在上部结构与基础之间设置某种隔振消能装置，以减小地震能量向上部的传输，从而达到减小上部结构振动的目的。

　　基础隔振能显著降低结构的自振频率，适用于短周期的中低层建筑和刚性结构。

　　由于隔振仅对高频地震波有效，因此对高层建筑不太适用。

　　(2)耗能减振体系。

　　常用的耗能元件有耗能支撑和耗能剪力墙等;常用的阻尼器有金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏弹性阻尼器、黏性液体阻尼器等。

　　(3)调谐减振系统。

　　常用的调谐减振系统有：调谐质量阻尼器(TMD )、调谐液体阻尼器(TLD)、液压质量振动控制系统(HMS)等。

　　调谐质量阻尼器是一个小的振动系统，由质量块、弹簧和阻尼器组成。

　　它对结构进行振动控制的机理是：原结构体系由于加入了TMD，其动力特性发生了变化。

　　原结构承受动力作用而剧烈振动时，由于TMD质量块的惯性而向原结构施加反方向作用力，其阻尼也发挥耗能作用，从而使原 (二)主动控制结构主动控制是利用外部能源，在结构受激励振动过程中，对结构施加控制力或改变结构的动力特性，从而迅速地减小结构的振动反应。

　　主动控制系统主要包括传感器、控制器和作动器3 个组成部分。

　　目前有关主动控制的研究内容主要分为主动控制算法和主动控制装置研究两部分。

　　主动控制装置主要有主动质量阻尼系( AMD) 、主动拉索系统( ATS ) 、主动支撑系统( ABS) 、主动空气动力挡风板控制系统( ADA) 和气体脉冲发生器控制系统( PC) 等。

　　主动控制算法是主动控制的基础，它的目标是使主动控制系统在满足其状态方程和各种约束条件下，选择合适的增益矩阵，寻找最优的控制参数，使系统达到较优的性能指标，实现对结构的最优控制。

　　目前，它的研究基本上是以理论分析、数据模拟分析为主，且已取得较大的成就，但主动控制技术尚未成熟。

　　从目前已有的研究来看，其可行性还受到一些条件的制约： (1) 主动控制系统在地震中运作问题。

　　日本采用AMD 和HMD 的高层建筑，在风振和环境振动时主动控制系统运作正常，取得很好的控制效果。

　　但在大地震时，很大部分的主动控制系统因故未能运作。

　　(2) 时滞问题。

　　主动控制系统在工作时由于信号处理、运算、电液伺服作动自动作等都需要一定的时间，因此时间滞后问题是不可避免的。

　　时滞对控制系统的性能有很大影响，它使系统稳定性变差，控制效率降低，甚至可能产生负效应。

　　目前，可以通过补偿的方法来修正时滞。

　　(3)能量问题。

　　主动控制系统的运作需要依靠外部能源的输入，如何在地震中保证有可靠的能源，需要特别注意。

　　(三)半主动控制半主动结构控制参数控制，它是依赖于结构的振动反应或动荷载的信息实时改变结构的参数来减小结构的反应。

　　它更易于实施，并且它的控制系统更为可靠。

　　半主动结构控制的控制效果优于被动控制，略逊于主动控制。

　　半主动控制不需要外界能量输入，因而是一种很有发展前景的抗震控制方法 (四)混合控制混合控制是将主动控制和被动控制或智能控制等2种或2种以上控制方式，同时施加在同一结构上的结构减振控制形式。

　　近年研究较多的是以被动控制为主，主动控制为辅的主从组合方式。

　　它兼有2种控制的优点，又克服了各自的缺点，只需很小的能量输入即可得到很好的控制效果。

　　目前，混合控制有主动质量阻尼系统(AMD)与调谐质量阻尼系统(TMD)或调谐液体阻尼系统(TLD)的混合控制，主动控制与基础隔震的混合，主动控制与耗能减振的混合，液体质量控制系统和主动质量阻尼系统的混合。

　　目前，隔震和耗能减振的混合控制应用较为广泛。

　　世界上第一个安装混合质量阻尼器(HMD) 控制系统的建筑是日本东京清水公司技术研究所的7层建筑。

　　我国南京电视塔采用了主动质量阻尼系统AMD与调谐液体阻尼系统TLD相结合的混合控制系统来控制风振。

　　(五)智能控制结构智能控制包括采用智能控制算法和智能驱动或智能阻尼装置2类。

　　当结构遇到强烈的地震作用时可能进入非线性，结构构件的承载力和刚度发生退化，实际结构模型修正是结构振动控制的一个突出问题。

　　智能控制算法正是为了解决这一问题而引入的。

　　智能控制算法可以不依赖精确的结构模型，或者具有很强的学习及调整逼近能力。

　　目前研究的结构智能控制算法主要有： (1)模糊控制算法。

　　模糊控制主要通过状态输出和控制输入的模糊逻辑关系，即模糊控制规则来实现系统的调节或控制。

　　(2)神经网络控制算法。

　　人工神经网络具有很强的非线性逼近、自学习和自适应、数据融合以及并行分布处理等能力，在多变量、强非线性系统的辨识、建模和控制中有明显的优势和应用前景。

　　另一类结构智能控制是指采用诸如磁(电)流变液体、压电材料、磁(电)致伸缩材料和形状记忆合金等智能驱动器的主动控制或智能阻尼器的半主动控制。

　　三、结束语目前，世界上许多国家开展了结构减震技术与理论的研究，并致力于该技术的推广应用。

　　结构减震控制技术是一门科学性和技术性很强的应用科学，在结构设计中应用减震控制技术，能很好地减小地震反应从而降低抗震等级，同时建筑物的总造价增大不多。

　　另外，随着结构减震技术的发展，减震系统造价不断减低，减震房屋的经济效益会越来越突现。

　　结构减震技术代表着未来抗震技术的发展方向，值得大力推广应用。

　　参考文献 [1]涂勇土木工程结构振动控制研究方法综述[J]. 工程建设与设计. 2011(08) [2]周可哥. 工程结构振动控制研究综述[J]. 安徽建筑. 2010(02) [3]胡迪春. 振动控制在土木工程中的应用探讨[J]. 中国水运(下半月). 2008(07)

　　土木工程减震技术及其应用【2】

　　摘要：随着地震灾害的频繁发生，人们在土木工程施工中也必须要将抗震性能放在一个重要的位置，目前，土木工程的结构减震是防灾减震最有效的方法之一，并且在实际应用中也取得了非常好的效果。

　　通过对土木工程结构减震控制方法的研究和应用，建筑在受到地震灾害时所受到的破坏就会降到最低。

　　关键词：土木工程;结构减震;原理;应用

　　1 减震控制采用的方法原理

　　建筑结构的抗震效果主要是通过对建筑中某个部位来加入防震设置来起到防震的作用，如果发生强烈的振动，那么抗震结构装置就会主动的对外来施加的压力进行力的调整，从而降低外力对整个建筑结构产生的强烈反应，而这一系列措施和方法在强烈的振动下才能够表现出来，这不仅能够起到稳定建筑整体结构的作用，同时也可以有效的保证建筑的使用安全，对于提高建筑的使用寿命也有着一定的效果。

　　2 土木工程结构减震的应用分析

　　2.1 被动控制。

　　结构减震的被动控制主要是利用减震以及隔震装置来对振动的能量进行消耗，振动在建筑中传播时碰到减震和隔震装置就能够被停止，采用被动控制的方法相对较为简单，并且有着成本低以及维护方便等特点，在应用过程中表现出的效果也非常明显，因此目前很多土木工程中都广泛采用被动控制的减震措施。

　　2.1.1 耗能减震。

　　耗能减震的主要原理是将振动所产生的能量加以消耗，从而避免振动给建筑结构产生较大的作用力。

　　这种方法需要在建筑结构中加入耗能的部件，也可以在建筑结构的某些部位设置阻尼器来作为耗能减震的主要装置，一旦建筑受到外力的干扰，那么耗能减震的部件就会进入到弹性的状态，外来的作用力经过弹性部件的消耗后就会大大降低，同时一些荷载以及振动的作用在进入到结构中时，也可以产生非常好的保护作用，这样对于稳定建筑的整体结构也有着非常好的效果。

　　而耗能装置也有着不同的种类，并且按照需求的不同也可以将其分为不同的体系，其中一种为耗能构件减震体系，主要包括了有耗能支撑、耗能剪力墙等。

　　还有一种是阻尼器耗能减震体系，其中包括了金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器以及弹性阻尼器等等。

　　2.1.2 基础隔震。

　　基础隔震相比耗能隔震在建筑上的部位也有着一定的差异，通常情况下，基础隔震会设置在上部结构和基础之间，主要是对地面产生的振动传输进行阻隔，这样上部的震动力就会大大降低，从而避免地震灾害给建筑产生的危害。

　　基础隔震装置在设置过程中需要满足一定的特性才可以加入到建筑结构当中，因此隔震装置必须要有着较大的变形能力，并且能够提供较大的耗能，这样才能够更好的保证建筑结构的稳定性。

　　2.1.3 调谐减震。

　　调谐减震是在建筑的主体结构中增加一些子结构，让整体结构在受到震动的情况下降震动力转移到子结构中，这样震动能量在建筑结构中就会进行重新的分配，主结构所承受的振动能量也会相对减少，从而起到抗震保护的作用。

　　目前调谐减震系统中常用的主要有调谐质量阻尼器、模式质量阻尼器以及调谐液体阻尼器等不同类型，在应用过程中也都有着非常好的表现效果。

　　2.2 主动控制。

　　建筑结构的主动控制相比被动控制在原理上有着很大的区别，结构的主动控制主要是通过外部能源来降低振动过程中产生的作用力，从而有效的避免振动反应给建筑结构带来的影响。

　　主动控制系统中包括了传感器、控制器以及作动器三个部分，其中传感器有着测量结构反应或者外部激励信息的作用，而控制器能够处理传感器测量的信息，从而实现所需要的控制律，并且作为输出作动器的指令。

　　主动控制不仅是现代控制理论的重要研究成果，同时也是科技创新发展的结晶。

　　在主动控制中，作动器的控制力可连续变化，所以其有着极广的控制频率，对外界不同激励具有很强的适应性，能够取得很好的控制效果。

　　常用的主动控制系统装置主要有主动质量阻尼器、主动支撑系统、主动拉锁系统等。

　　2.3 半主动控制。

　　半主动的控制是属于一个参数的控制，其控制的过程完全的依赖于外部激励以及结构反应的信息，进而再通过少量的能量而实时的改变结构的阻尼或是刚度等等的参数来减小结构的反应。

　　半主动的控制根本就不需要大量外部能源的输入来直接性的提供一个控制力，只是其实施控制力的作动器就得需要少量的能量调节，这样就可以使得其可以主动的利用结构振动的往复相对速度或是变形，在最大程度上来充分的实现主动最优控制力。

　　其中常见的半主动控制系统有变刚度变阻尼系统(AVSD)、可变阻尼系统(AVD)、可变刚度系统(AVS)以及主动调谐参数质量阻尼系统(AT-MD)等等。

　　2.4 混合控制。

　　混合控制是将主动控制和被动控制联合起来应用，即将主动控制和被动控制同时应用于同一建筑结构减震中，可以将主动控制和被动控制两种方法的优点充分发挥出来，弥补了单一控制方法的制约和不足，只需要小功率的能量输入就能直接提供控制力，控制效果非常明显，调谐范围得以扩大，结构抗震系统的稳定性、实用性和安全性大大提升。

　　2.5 智能控制。

　　在土木工程结构减震方法中还有一种叫做智能控制算法，这种方法不依赖精确的结构模型，而且具有很强的学习及调整逼近能力。

　　3 建筑结构减震技术

　　3.1 消能减震设计原理。

　　消能减震设计主要指的是在抗侧力结构中设置消能装置，根据装置结构局部变形的附加阻尼来消减建筑上部结构的地震能量，保证建筑主体结构在地震作用下不至于造成严重破坏。

　　消能装置由阻尼器及消能支架等构件组成，消能结构一般不用改变建筑的结构，适用性强，抗震安全性能高。

　　3.2 技术要求。

　　对于那些需要减少地震水平位移的钢结构及钢筋混凝土结构的建筑工程通常要考虑建筑消能减震设计。

　　在建筑减震设计过程中应根据严重地震下的结构移位控制要求标准，合理选取消能部件。

　　消能部件应提供建筑结构的附加阻尼。

　　现有的减震部件主要有：橡胶垫隔震减震器、空气阻尼式减震器、不锈钢丝绳减震器、封闭形减震器等;其中消能部件主要由消能器及斜撑、墙体、节点及梁等支撑构件构成;消能器、斜撑、墙体及节点或梁的连接装置应符合钢结构或钢筋混凝土结构构件的构件连接要求，并能担负消能器施加给连接点的最大值作用力。

　　4 结构减震控制的最新研究及未来发展趋势