工程结构振动与控制的方法与应用【摘要】振动控制是建筑结构抵抗地震作用，减小地震响应的一种有效方法。

本文结合传统结构抗震与现代抗震技术，主要介绍了结构振动控制的概念、基本原理、分类及工程应用。

重点阐述被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制等现代抗震技术的概念、原理、计算公式及工程应用的不同特点。

并在结合振动控制的理念与实际工程应用中简单阐述自身对于工程结构振动与控制的理解。

【关键字】被动控制主动控制半主动控制混合控制引言随着社会的发展，工程结构形式日益多样化以及轻质高强材料的应用，结构的刚度和阻尼比变小。

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。

按照传统的抗风抗震设计方法，即以保证人的生命安全为原则的设计方法，是以概率论为基础，提出三水准的设防要求，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

结构要减小强震或大风下的振动反应，必然要进行能量转换或耗散，传统抗震结构体系实际上是依靠结构及承重构件的损耗来消耗大部分的输入能量，因此这种方法对某些不容许在地震中出现破坏的建筑结构(如核电站)是不适用的。

另外传统抗震设计只考虑了结构物本身的抗震，并未考虑房屋内部设备的防震，当建筑物内有重要设备、精密仪器等情况时(如通讯中心，医院等)，也是不适用的。

传统抗震方法以“抗”为主，主要通过加大构件截面，多加配筋来提高建筑物的抵抗地震能力，其结果是构件截面越大，建筑物刚度越大，地震作用也越大，所需构件截面及配筋就越大，恶性循环，大大提高建筑物的造价。

由上可知，传统的抗震设计方法在经济和安全上已不能满足工程实践中新材料、新的结构形式不断提出的需要，同时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。

从而促使工程结构振动控制理论在工程结构的实践中开始得到应用，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，结构振动控制通过在结构上设置控制机构，由控制机构与结构共同控制抵御地震动等动力荷载，使结构的动力反应减小。

一、工程结构振动控制的概念及原理工程结构振动控制是指在结构的特定部位安装某些特殊装置(如隔震垫等)、某种机构(如耗能支撑、耗能剪力墙等)、某种子结构(如调频质量块等)或施加外力，以改变或调整结构的动力特性和动力作用，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。

自1972年美籍华裔学者姚治（J.T.P.Yao）教授明确提出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、试验和应用等方而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)，保护主体结构在外界荷载作用下不至于出现严重的损坏。

控制系统的基木元素为传感器、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；处理器接受这此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作用到结构上，从而实现对结构的控制。

二、工程结构振动控制的分类及应用结构振动控制按照控制措施是否需要外部能源，可以分为主动控制系统、半主动控制系统、被动控制系统及混合控制系统。

1、结构被动控制振动控制中的被动控制技术是相对于主动控制技术和半主动控制技术而言的，它是一种不需要外部能源、单纯依靠控制装置与结构相互作用提供控制力的结构控制技术。

被动控制的设计思想是采用直接减少振动能量（消振）、隔离振动能量（基础隔振）、转移振动能量（吸振减振）、消耗振动能量（耗能减振）等方法达到减少结构振动的目的。

从控制机理上说,可以通过以下三条基本途径实现结构的被动控制。

(1)隔震：即通过在结构特定部位设置隔震装置阻止外界对结构的能量输入, 直接达到减震控制作用。

隔振结构包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分。

隔震可分为基础隔震和层间隔震两类。

隔震装置具有可变的水平刚度，在强风或微小地震时，具有足够的水平刚度，上部结构水平位移极小，不影响使用要求；在中等强度地震下，其水平刚度较小，上部结构水平滑动，使刚性的抗震结构体系变为柔性隔震结构体系，其固有自振周期大大延长，远离上部结构的自振周期和地面的场地特征周期，从而把地面震动有效地隔开，明显地降低上部结构的地震反应。

通常情况下，隔震体系上部结构的加速度反应值可降低为非隔震结构的1/4～l/12。

由于隔震装置的水平刚度远远小于上部结构的层间水平刚度，所以，上部结构在地震中的水平变形，从传统结构的“放大晃动型”转变为隔震结构的“整体平动型”，使得上部结构在强烈地震中仍处于弹性状态，有效的保护结构本身，同时也能有效的保护结构内部装修和精密设备。

由于隔震装置具有水平弹性回复力，使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动复位功能，可满足震后的使用功能。

隔震结构体系能有效保护上部结构，因此在各种生命线工程、宿舍楼、商场、精密仪器室等重要建筑中得到了广泛的应用，如在我国昆明新机场就采用了橡胶垫隔震装置进行基础隔振。

目前应用和研究较广的隔震装置有：夹层橡胶垫隔震装置（如图1.1）、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。

(2)耗能减震：通过附加在结构上的耗能阻尼器耗散地震能量, 来实现减震的目的。

耗能减震技术的主要思想是把结构物中的支撑、剪力墙等构件设计成耗能部件或在结构物的节点或连接处装设阻尼器，在风载或小震作用下，耗能杆件和阻尼器处于弹性状态，当在强烈地震作用下，耗能杆件或阻尼器率先进入非弹性状态，结构产生较大阻尼，耗散大量地震能量，使主体结构避免进入明显非弹性状态，从而保护主体结构在强震中的大幅度的损坏。

耗能减震技术是在结构中设置非结构的耗能元件（耗能器或阻尼器），结构振动使耗能元件在被动的往复运动中耗散结构的振动能量，通过耗能装置产生摩擦、弯曲弹塑性滞回变形等来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减小主体结构的地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控震的目的。

这比传统的依靠结构本身延性耗能显然是更近了一步，耗能元件一般不改变结构的形式，也不需要外部能量的输入。

耗能减震技术由于技术相对成熟，施工方便，设备制造相对容易，减震效果明显等特点使之广泛用于多高层建筑抗震的设计和加固中。

耗能支撑属于一种耗能减震装置，结构耗能减震技术是在结构物某些部位设置耗能装置，耗能支撑正是通过在支撑结构中设置阻力器，增加支撑结构的耗能能力。

在结构中设置耗能支撑可以在一定程度上提高结构的抗震、抗风刚度，同时又能凭借支撑中耗能器的滞回变形耗散地震能量。

非承重的耗能支撑在强地震中能率先消耗结构的地震能量，迅速衰减结构的地震反应，并保护主体结构和构件免遭破坏，达到耗能减震和保护结构的目的。

由于耗能支撑适用性强，耗能减震效果显著，因此在工程实践中也得到了广泛应用。

目前常见的耗能支撑有耗能交叉支撑、摩擦耗能支撑、耗能偏心支撑、耗能隅撑、防屈曲耗能支撑（如图1.2）等多种形式。

(3)调谐减震：即通过振动模态间的相互转换, 将工程结构的主振动转移到附加系统上。

常用的调谐减震控制系统有调谐质量阻尼器(TMD)（如图1.3）、调谐液体阻尼器(TLD)、质量泵控制器等。

TMD 系统的控制效果对输入地震动频率的依赖性较大，TLD 系统是通过容器中液体的晃动来消耗和吸收结构振动的能量。

调谐液体阻尼器是一种固定在结构上的具有一定形状的盛水容器，它对结构进行振动控制的机理是在结构振动的过程中,容器中水的惯性力和波浪对容器壁产生的动压力构成对结构的控制力,同时结构振动的部分能量也将由于水的黏性而耗散掉,从而达到减小结构振动反应的目的。

作为调谐减震控制系统中的核心部件，TMD 是附加在主结构中的一个子结构，由质量块、弹簧、阻尼器组成。

质量块通过弹簧(连接件)和阻尼器(耗能减震装置)与主结构连接在一起，一般支撑或悬挂在主结构上。

质量（a ）屈曲约束支撑 （b ）屈曲约束支撑滞回曲线图1.2 屈曲约束支撑形式 核心支撑 约束构件填充材料 F块的存在使原结构产生了附加的质量、刚度和阻尼，通过子结构的这些基本特性调谐其自振频率，可以使其尽量接近主结构控制振型的振动频率。

这样，当结构在外激励作用下产生振动时，主结构带动TMD系统一起振动，TMD系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上，对（a）TMD 模型（b）TLD 模型图1.3 调谐阻尼器模型结构的振动产生控制，TMD系统中的阻尼器也将发挥耗能作用，从而达到减小结构振动反应的目的。

上海全球金融中心为中国首次使用TMD的高层建筑，设计师在大楼90层、395米高处设立了2台风阻尼器。

在测试中，当大楼双向摇摆达到5厘米时，阻尼器启动止振，止振时间仅需15秒。

该装置使用传感器探测强风时建筑物的摇晃程度，通过计算机控制重约150吨的“大铁块”摇摆，以抑制建筑物由于强风引起的摇晃。

被动控制具有构造简单、造价低, 易于维护且无需外部能源支持等优点，不需要外界能源，易于实现。

目前, 许多被动控制技术均在实际工程中得到广泛的应用，已从医院、桥梁、大型商场等重要性建筑物推广到一般工业与民用建筑。

结构被动控制(包括更早开始研究的基础隔震)由于不需要提供外部能源、经济和易于工程应用的特点，在我国得到了广泛的研究和一定程度的应用。

2、结构的主动控制主动控制是以现代控制理论为基础，对结构反应或环境干扰进行实时跟踪和预测，在精确的结构模型基础上运算和决策最优控制力，并通过作动器对结构施加控制力以减小或抑制结构的动力反应。

主动控制分开环控制和闭环控制两种，开环控制是直接对结构环境干扰进行量测，根据测量数据分析并综合出控制律；而闭环控制是在结构反应观测基础上实现的主动控制。

闭环控制具有较高的抗干扰能力，对系统元件的精度要求不高，控制效果明显，因此得到广泛的应用。

主动控制的研究主要集中在主动控制算法的运用与处理和主动控制装置的开发与应用两个方面。

结构主动控制算法仍是以现代控制理论中的算法为依据，一些算法根据土木工程结构自身特点作出特殊的处理。

目前运用的主动控制算法主要有经典线性最优控制法、瞬时最优控制法、随机最优控制法、极点配置法、独立模态空间控制法、界限状态控制法、自适应控制法、预测控制法、滑动模态控法、模糊控制法、神经网络控制法。

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，选择合理的增益 AMD系统（图1.4）是目前研究和应用较多的主动控制系统，它由被动控制中的调谐质量阻尼器（TMD）演变而来。