土木工程中的减震控制论文

  1概述

  目前,对于地震还不能做出准确的预报,所以地震常常具有突发性和随机性的特征而给人们的生活带来极大的破坏作用,所产生的后果极其严重。所以在土木工程建设施工过程中进行抗震设计是必不可少的一项工作,也是降低地震损失的有效措施。在过去进行结构减震设计时主要是依靠增加结构它自身的强度以及变形能力来增强抗震能力。举例来说,可以通过选择合适的塑性铰的位置以及仔细设计构件的细部构造来保证结构的整体性以及制止倒塌的发生。然而这种方法不可避免的会对结构构件产生极大的损伤。因此,在现代的土木工程当中,减震控制方法主要是使用隔震、耗能、施加外力以及调整结构动力特性这些方法来消减结构地震反应,进而可以保证结构其本身的安全。

  2现代土木工程中结构减震控制的主要方法

  2.1被动控制方法。

  所谓的被动控制方法,就是不需提供外部能量,而是通过减震以及隔震装置来使得振动能量消耗,并且阻止振动在结构之中的传播。这种方法因其具有构造简单、造价低、易于维护以及不需要外界能源支持等优点而被广泛应用。被动控制主要是进行基础隔震和耗能减震。基础隔震就是在上部结构以及基础之间设置水平柔性层,从而使结构侧向振动的基本周期延长,进而减小水平地震地面运动对上部结构的作用。基础隔震的研究核心是研究开发出性能卓越并且价格低廉的隔震装置。早在20世纪70年代末就提出了叠层橡胶支座隔震的方法,自此技术之后,开启了结构基础隔震发展的黄金时期。在之后的发展过程中,先后开发出一批应用广泛的隔震装置,比如夹层橡胶垫隔震装置、铅塞滞变阻尼器隔震装置、粉粒垫层隔震装置、基底滑移隔震装置、钢滞变阻尼器隔震装置、悬挂基础隔震装置以及混合隔震装置等等。在现阶段,基础隔震的使用已经相当广泛,隔震结构的分析、设计方法也日益成熟。从世界范围来看,已经有成千上万座隔震建筑以及桥梁建设完工,这些工程在实际的地震经历当中,都表现出了良好的减震效果。耗能减震则是在结构中设置非结构构件的耗能元件,其减震原理是这样的:在结构振动的作用之前,耗能元件可以被动地往复相对变形或者在耗能元件之间产生往复运动的相对速度,通过这个方式能够消散结构振动的能量,进而减轻结构的动力反应。目前,已经研究发展起来的耗能装置通常有金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、调谐质量阻尼器以及复合型耗能器等等。结构耗能减震从某种程度上来说,是能够经得住地震的考验的。我国现在就有几十余座新建或者加固的被动耗能减震建筑,例如上海的明珠电视塔和珠海的金山大厦都是采用耗能减震技术的典范。

  2.2主动控制方法。

  与被动控制相对应的就是主动控制,这种控制方法的理论基础是现代控制理论,在这种理论的指导下对结构反应或者环境干扰进行实时跟踪和预测,并且在精确的结构模型基础之上使用和决策的最优控制力。这种控制方法通过作动器来对结构施加控制力,从而减小将会有效的抑制结构的动力反应。主动控制的类型有开环控制和闭环控制两种。对主动控制的研究主要包括两个方面,一是主动控制算法的运用处理,二是主动控制装置的开发与应用。结构主动控制算法依然是使用现代控制理论之中的算法作为依据,然后根据土木工程结构自身的特点而做出一些特殊的处理。目前,广泛使用的主动控制算法有:经典线性主要有最优控制法、瞬时最优控制法、随机最优控制法、极点配置法、预测控制法、滑动模态控制法、模糊控制法以及神经网络控制法。结构主动控制的研究主要涉及到控制理论、随机振动、结构工程、材料科学、机械工程、计算机科学、振动测量、数据处理以及自动控制技术等等,具备一定的综合性。当前,它的研究主要是使用理论分析以及数据模拟分析作为主要方法。虽然主动控制的研究取得了一定的成就,但是主动控制技术并不完全成熟。从现有研究来看,主动控制技术在可行性上还存在一定的限制因素。主要集中表现在四个方面:1)主动控制系统在地震之中运作的问题。日本是一个地震多发的国家,在抵御地震侵袭的同时也积累了很多独到的经验。他们发现在地震之时,很大一部分主动控制系统因为故障而不能正常运作;2)时滞方面的问题。主动控制系统在工作的时候,因为在信号处理、运算、电液伺服等动作都需要相应的时间,因此产生了时间滞后这个不可避免的问题。目前提出了使用通过补偿的方法来使时滞得到有效的改正;3)能量问题。主动控制系统的运作主要是依靠外部能源的输入,而在地震之中确保能源的相对可靠成为值得思考的关键问题;4)设备维护的问题。通常生命线工程的大跨度桥梁的使用寿命是几十年,有的甚至要达到上百年,与此同时,主动控制系统也要在这段时间之内保持功能的完备。如何确保系统的完善,尤其是作为核心构件的计算机,其使用性能的保障工作成为亟待解决的问题之一。

  2.3半主动控制方法。

  介于被动控制和主动控制之间,还存在半主动控制方法,这种方法主要是使用少量外部能量或者是不需要外部能量,还可以通过对控制系统之中结构参数的实时调整来控制结构动力的反应。半主动控制方法既有被动控制系统的可靠性,同时又具备主动控制系统的超强适应性,而且造价比较合适,因此在未来的使用上具有相当广阔的发展前途。半主动控制主要包括两种类型:主动变刚度控制系统和主动变阻尼控制系统。主动变刚度系统主要是通过主动变刚度控制装置来使得受控结构的刚度在每一个采样周期之内依据外荷载的频谱特性而在不同的刚度值之间进行切换,这样则可以使得受控结构在每一采样周期之内都可以远离共振状态,实现减振的目的。上世纪末日本就通过实践证明了半主动控制在中小地震中的突出作用,这种控制显示出了较好的控制效果。主动变阻尼控制系统则是通过控制装置来使受控结构的阻尼可以在每一采样周期之内获得不同的阻尼状态之间来进行切换,从而达到减震的目的。不难看出,半主动控制方法结合了被动控制结构以及主动控制结构的优点,可以依据结构的反应同外界的干扰状态来控制结构。这种控制需要由电池提供的能量来操作控制设施,这样就能够有效避免主动控制在大地震来临之时无法办得到能量支持的劣势。半自动控制需要的控制设施既经济又可靠,同时对于维护的要求也不高,综合以上有点,半主动控制成为当前世界范围之内广泛被业界所接受的土木工程结构减震的控制方法。综上所述,现代土木工程中结构的减震控制作为一个交叉的学科,仍然还有很多问题值得研究和规范。虽然减震控制技术在当前的土木工程之中并没有得到较广泛的应用,但是因为其在土木工程应用中具备的明显优势,在未来的建筑中一定会得到广泛的接纳和发展,减震控制技术必将日趋成熟。

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