文章编号:100926825(20091920059202结构振动控制理论与应用现状分析收稿日期:2009203206作者简介:徐飙(19702,男,工程硕士,高级工程师,中水淮河规划设计研究有限公司,安徽蚌埠233000徐飙摘要:主要介绍了结构振动控制的概念、基本原理以及分类,阐述了被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制的不同特点,最后对结构振动控制的应用现状和发展前景做了展望。
关键词:结构振动控制,概念,基本原理,分类,应用现状中图分类号:TU312文献标识码:A传统结构抗震设计是通过加大构件尺寸、提高材料强度等来加强结构自身的抗震能力,这些方法除了对地震烈度的适应性不佳外,保护目标也比较单一,而且使结构造价大大增加,随着社会的发展,工程结构形式日益多样化,高层和高耸结构也层出不穷。
对高层建筑和高耸结构来说,水平荷载是主要荷载之一,并且往往起着控制作用,而对大跨度空间结构来说,竖向荷载却是主要控制荷载。
水平荷载一般包括风荷载和地震荷载,这两种荷载都是动力荷载。
随着高层建筑和高耸结构高度与高宽比的增大以及轻质高强材料的作用,其刚度和阻尼不断降低,在强风或强烈地震荷载作用下,结构物的动力反应强烈,很难满足结构舒适性和安全性的要求[1]。
按照传统的抗风抗震设计方法,即通过提高结构本身的强度和刚度来抵御风荷载或地震作用,是一种“硬碰硬”式的抗震方法,它很不经济,也不一定安全,而且失去了轻质高强材料自身的优势,还不能满足日益现代化的机器设备不能因为剧烈振动而中断工作或者破坏的要求。
传统的抗震设计方法已不能满足需要,从而使结构振动控制理论在工程结构中开始得到应用。
结构振动控制可以有效地减轻结构在风和地震等动力作用下的反应和损伤,提高结构的抗震能力和抗灾性能,是抗震减灾积极有效的对策。
1振动控制的概念及原理自1972年美籍华裔学者姚治平(J ・T ・P ・Y ao 教授明确提出土木工程结构控制的概念以来,国内外很多学者在结构控制的方法、理论、试验和应用等方面取得了大量研究成果。
隔震消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性,即明显有效减震(能使结构地震响应减到10%或更低,其中已有多项技术成功地应用于工程实践。
国际上,美国、日本、澳大利亚、新西兰和法国等国家在这方面走在前列。
国内学者自20世纪80年代初期以来,对夹层橡胶垫隔震结构、粘弹性阻尼器、TMD 和TLD 、耗能支撑、层间隔震、主动控制等方面的研究取得了一系列成果。
经过20多年的发展,结构控制现在正朝着研制高效的被动控制装置、发展以参数控制为主的半主动控制和探索结构智能控制的方向发展。
结构控制的概念几经完善,具体可表述为:在工程结构的特定部位装设某种装置(例如隔震垫等或某种机构(例如消能支撑、消能剪力墙、消能节点、消能器等或某种子结构(例如调频质量等或施加外力(外部能量输入或调整结构的动力特性,使工程结构在地震(或风的作用下,其结构的动力响应(加速度、速度、位移得到合理的控制,确保结构本身及结构中的人员仪器设备的安全和处于正常的使用环境状况[2]。
控制系统的基本元素为传感器、处理器(也称控制器和作动器。
传感器感受外部激励及结构反应的变化信息,处理器接受这些信息并依据一定的控制算法计算所需控制力,作动器则产生所需的控制力并作用到结构上,从而实现对结构的控制。
2振动控制的分类依据是否需要外界能源,结构控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制四类[3]。
被动控制也称无源控制,它不需要外部输入能量,仅通过控制系统改变结构系统的动力特性达到减轻动力响应的目的。
而主动控制的过程则依赖于外界激励和结构响应信息,并需要外部输入能量,提供“控制力”。
半主动控制也利用结构响应或外界激励信息,但仅需要输入少量能量以改变控制系统形态,达到改变结构动力特性从而减轻响应的目的。
混合控制(也称杂交控制指的是上述三类控制的混合应用,在结构上同时施加主动和被动控制,整体分析其响应,既克服纯被动控制的应用局限,也减小控制力,进而减小外部控制设备的功率、体积、能源和维护费用,增加系统的可靠性[4]。
2.1被动控制结构被动控制是一种无源控制方法,包括隔震、吸振和耗能三大控制形式,采用直接减少、隔离、转移、消耗能量的方法达到减小结构振动的目的。
在我国,20世纪50年代就提出基础隔震思想,80年代末结构控制方面的研究正式起步。
由于被动控制易于工程实现,设计得好,效果不错,受到普遍重视。
结构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而形成的结构体系。
它包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分。
为了达到明显的减震效果,隔震装置或隔震体系必须具备下述四项基本特性:1承载特性;2隔震特性;3复位特性;4阻尼消能特性。
吸振减震是指在主体结构上附加吸振器子系统,用以减小主结构的振动。
吸振器是包括质量系和弹簧系的小型振动系统,以质量系产生的惯性力作为控制力,通过弹簧系作用于主结构。
常与粘滞阻尼器联合使用,并以阻尼器命名。
耗能减震是指利用各种阻尼元件、吸能部件或摩擦支撑产生的阻尼力、塑性变形或摩擦力来衰减结构在外界干扰(如风荷载和地震荷载等下的振动响应,具有耗能能力强、低周疲劳性能好的特点。
结构消能减震的实质是,在结构内设置消能构件(或消能装置,它们能为结构提供较大的阻尼,在地震时大量消耗输入结构的振动能量,有效衰减结构的地震反应。
2.2主动控制结构主动控制是利用外部能源(计算机控制系统或智能材料,在结构物受激励振动过程中,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。
主要应用于对抗震抗风要求较高,要求对多振型进行控制的・95・第35卷第19期2009年7月山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.35No.19J ul.2009重要建筑和高层建筑、桥梁、特种结构等。
结构主动控制技术无疑是一种比较理想的方法,它对于提高抵抗地面运动不确定性的能力,直接减小输入的干扰力,以及在地震发生时连续自动地调整结构动力特性的功能等方面均优于被动控制方法。
虽然主动控制已取得一定的理论研究和试验研究成果,减震效果非常明显有效,并已在少数工程中试点应用,但在技术上还有一些问题尚待解决。
目前,尚未步入技术成熟阶段。
其主要存在以下问题:1控制系统的硬件和软件的滞后性及有效控制性等问题尚需进一步解决;2突发地震时外部能源的正常供应问题;3设备的常年维护问题;4造价昂贵问题;5抗震抗风的同时有效控制问题。
主动控制根据控制力是否依赖结构响应或外界激励可分为:闭环控制、开环控制和开闭环控制。
目前研究和工程应用较多的是闭环控制。
根据控制器的不同,主动控制又有主动调谐质量阻尼器、主动锚索之分。
主动调谐质量阻尼系统是利用传感器时刻监测结构反应(位移、速度或加速度,并根据卡提闭环控制理论,计算机接受传感器信息并瞬时改变状态矢量和反馈矢量得出控制力,接着电液伺服装置将最优控制力施加于结构,以控制其运动和变形。
主动锚索控制是利用传感器把结构的反应传给计算机,计算机进行优化分析计算出所需要的控制力,驱动液压伺服系统,该系统通过锚索对结构施加控制力,从而有效地减小结构反应。
该装置已被应用到实际结构中,用于控制风振反应。
2.3半主动控制半主动控制是通过改变结构的动力特性来减震的。
1960年日本K obori 最早提出了结构变刚度的概念,1983年Hrovat 研究了土木工程结构的半主动控制问题。
半主动控制与主动控制相比,它所需外部能量小得多,维护要求不高,更容易实施也更为经济,而且控制效果又与前者接近,因此半主动控制具有较大的研究和应用开发价值。
常见的半主动控制系统有主动调谐参数质量阻尼系统、可变刚度系统、可变阻尼系统、变刚度变阻尼系统等。
2.4混合控制混合控制顾名思义,是指根据不同建筑物、结构的不同抗震抗风要求、技术可靠性和造价经济性,选取隔震、消能、质量调谐、主动控制中的两种以上控制技术相结合,使其达到经济安全、现实可行的目的。
其主要问题是如何合理地把两种以上控制技术组合在一起,使其协同工作。
同样是由于造价的原因,决定了混合控制技术和主动控制技术目前还不能大规模应用于我国的各项大型基础设施建设,尤其是南水北调渡槽抗震这种工程。
3结构振动控制的应用现状结构振动控制的工程应用在过去的多年中有了较大的发展,特别是美国、日本等经济发达国家。
在理论方面,他们成功地借鉴了其他领域中的控制理论,为结构控制找到了可行的分析和计算方法。
在实际工程应用中也设计出一些有效的控制装置,尤其是被动控制系统(如基底隔震系统在一些高层建筑中得到了具体的应用。
隔震装置本身具有足够的初始刚度,在正常荷载作用下相对稳定,在强烈地震作用下该装置进入消能工作状态如叠层橡胶支座,这种竖向刚度很大的装置水平刚度很小,可大大增加基础的水平自振周期,强烈地震作用下结构反复变形,耗散地震能量。
此外,滑、滚动支座则是通过基础与上部结构两部分产生相对运动,防止水平地震动的输入[5]。
我国发电厂大型机组动力基础的隔震也采用了橡胶垫支座、螺旋弹簧支座等,运行测试结果显示隔震效果满意。
国外一些国家也广泛地将基础隔震应用于核电站、发电厂的设计中。
相比之下,我国的结构控制更多地仍处在理论研究上,虽然取得了一系列国内外瞩目的研究成果,但实际工程应用极其有限,已安装在建筑物上的控制装置也主要是隔震装置。
结构振动控制理论与减震技术为建筑物的抗震提供了一条有效可行的新途径。
结构振动控制理论将结构的弹塑性分析与抗震相结合,抗震与消震相结合,能动控制与设计相结合,通过对建筑结构的控制设计,在结构的特定位置出现一定数量的人工塑性铰,使其发生期望的破坏机构形式,实现强震下最佳的耗能机构;对结构中梁和柱等构件进行延性设计,提高其延性和耗能能力。
由于被动控制不需要外界能量输入,抗震性能好,结构简单,造价低廉,施工方便,易于修复和更换,易于被工程师们所接受,所以发展较快,在实际工程中得到了广泛应用[6]。
智能结构研究的一个重要内容是实现结构的主动振动控制,主要通过局部控制和全局控制方法来实现结构的振动抑制。
局部控制是利用结构自身配置的作动器—传感器,直接实现同位反馈控制,提高结构主动阻尼,以消耗结构残余振动能量,缩短系统自由响应的衰减时间。
全局控制目的在于抑制结构特定点的振动响应,保证系统的全局稳定性和提高鲁棒性。
对智能桁架结构的振动控制研究已取得显著的主动阻尼控制效果。
Preumout 采用数字控制器,进行了微分和积分力反馈控制实验,分别使悬臂智能桁架结构的第一阶模态阻尼由0.3%增加到3%和9%。
因此局部阻尼控制方法的研究仍然是智能结构振动控制的基础。
结构振动控制研究伴随着高维(三维乃至无限维、非线性、多尺度和多耦合系统动力学理论和仿真技术的发展而进一步深入。