浅谈土木工程中的振动控制

浅谈土木工程中的振动控制强烈的地震给世界各国人民造成了巨大的灾害。地震中建筑物的大量破坏与倒塌,是造成地震灾害的直接原因。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。传统的抗震结构体系是通过增强结构本身的性能来“抗御”地震作用的,即由结构本身储存和消耗地震能量,以满足结构的抗震设防要求。但由于人们尚不能准确地估计结构未来可能遭遇的地震动的强度和特性,而按传统方法设计的结构其抗震性能不具备自我调节与自我控制的能力,因此在这种不确定性的地震作用下,结构很可能不满足安全性的要求,而产生严重破坏,甚至倒塌,造成重大的经济损失和人员伤亡。结构控制可能是彻底解决这一问题的方法,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。结构控制是人的主观能动性与自然的高度结合,是结构对策的新的里程碑。结构控制按是否需要外部能源和激励以及结构反应的信号,可以分为被动控制、主动控制、混合控制和半主动控制。被动控制研究结构被动控制一般是指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,易于维护且无需外界能源支持等优点而引起了广泛的关注,并成为当前应用开发的热点。许多被动控制技术已日趋成熟,并已在实际工程中应用。下面简要介绍这些控制技术和装置。1、基础隔震体系基础隔震体系是在上部结构与基础之间设置某种隔震消能装置,以减小地震能量向上部的传输,达到减小结构振动的目的。隔震装置必须具备下面三项特性:(1)具有较大的变形能力;(2)具有足够的初始刚度和强度;(3)提供较大的阻尼,具有较大的耗能能力。基础隔震能显著地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。由于隔震仅对高频地震波有效,因此对高层和超高层建筑不太适用。另外,橡胶隔震垫的老化和耐久性问题,以及隔震效果的定量设计问题还有待于进一步的研究。基础隔震是当前应用最广泛,也是最成熟的一项技术。一些研究和应用较广的隔震装置有:1.夹层橡胶垫隔震装置;2.滚珠(或滚轴)加钢板消能装置;3.粉粒垫层隔震装置;4.铅塞滞变阻尼器隔震装置;5.钢滞变阻尼器隔震装置;6.基底滑移隔震装置;7.悬挂基础隔震装置;8.混合隔震装置等;夹层橡胶垫隔震装置高阻尼夹层橡胶垫支座运用夹层橡胶垫装置的建筑铅芯夹层橡胶垫支座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元件,或在结构物的某些部位装设阻尼器。在风载或小震时,这些消能构件与阻尼器仍处于弹性状态,结构体系仍具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求;在强风或强震作用下,消能元件或阻尼器首先进入非弹性状态,产生较大的阻尼,大量耗散能量,使主体结构的动力反应减小。消能减震体系按其消能装置的不同,可分为两类:(1)消能构件减震体系:利用结构的非承重构件作为消能装置的结构减震体系,常用的消能构件有:(a)消能支撑:包括方框消能支撑、圆形消能支撑、K形偏心消能支撑等。(b)消能剪力墙:有横缝剪力墙、竖缝剪力墙、周边缝剪力墙和阻尼器剪力墙等。(2)阻尼器消能减震体系:强震时通过阻尼器耗散能量。(a)摩擦阻尼器:利用摩擦力做功耗散能量。(b)金属阻尼器:利用某些金属具有的弹塑性滞回变形耗能,包括软钢耗能装置、铅挤压阻尼器、记忆合金(SMA)耗能器。(c)粘性和粘弹性阻尼器:利用阻尼器材料分子的相对错动摩擦耗能。消能减震体系适用于高层建筑、超高层建筑和高耸构筑物,对抗震和抗风都有效,而且性能可靠;但装设数量少时作用不大,数量多时造价显著增加。对消能减震体系的计算,目前也尚未建立起较为成熟通用的方法。倒V型斜撑装置阻尼器粘滞阻尼器摩擦式拉索阻尼器摩擦阻尼器3、调谐质量阻尼振动控制系(TMD)TMD系统是在结构顶层加上惯性质量,并配以弹簧和阻尼器与主结构相连,应用共振原理,对结构的某一振型加以控制。通常惯性质量可以是高层或高耸结构的水箱、机房或旋转餐厅。由于TMD能有效地衰减结构的动力反应,安全、经济,已被广泛用作高层建筑、高耸结构及大跨桥梁的抗震抗风装置。TMD不仅可用于新建建筑,而且通过“加层减震”技术可以改善已有房屋的耐震性能。TMD体系有三种:(1)支承式;(2)悬吊式;(3)碰击式。1、支承式TMD滑块的启动存在着严重的时间滞后,而且地震能量密度谱较宽,因此TMD抗震效果不如抗风效果好。2、目前有一种带杠杆和摆的调谐质量阻尼器(TMDLP),该控制系统能显著降低高层建筑的水平位移、扭转位移和加速度反应,而且其调谐质量块在地震激励下的位移比TMD的位移小。该系统可以通过在结构的顶层设置多个摆,用以控制高层建筑或高耸结构的前几阶振型。阻尼器示意图：两个钟摆式金属球用来缓和天线的摆动，而消防水箱则用来减少塔体振动的加速度。调谐质量阻尼器系统4、调谐液体阻尼振动控制系统(TLD)TLD同样采用共振原理,依靠液体的振荡来吸收和消耗主结构的振动能量,减小结构的动力反应。TLD系统相对于TMD造价较低,不需要特别的装置,对容器的形状也无特殊的限制,不需要维修,可以方便地设置在已有建筑之上,并可兼作水箱之用。与TMD一样,TLD一般也仅适用于抗风。由于风与地震不一定存在共同的有效的减振频带,调谐被动控制用于抗震时甚至可能会出现负效应。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。用质量泵能消除结构的鞭梢效应。在结构的风振反应中,质量泵能有效地减小高层建筑结构顶层加速度反应,但对减小基底剪力和顶层位移反应效果不明显;抗震时,质量泵对高振型效果较好,但对第一振型影响不显著。6、液压-质量振动控制系统(HMS)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,实现对结构的减振作用。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,同时使上部结构的底层位移反应减小,而且能够满足底层大空间的建筑功能要求。此外,还有一些被动控制体系,如拉索系统、悬挂结构体系、多结构联系振动控制系统、柔性层体系等。7、被动控制有待研究的问题被动控制系统不需要外部能源,一般只对某种设定的地震动特征进行控制,缺乏跟踪和调节的能力。其效果明显依赖于输入激励的频谱特性和结构的动态特性。目前对于被动控制的研究主要存在下面几个问题:(1)被动控制装置的研究:一方面研究新的、有效的、经济效益好的被动控制装置。另一方面对现有的被动控制装置进行研究,消除其局限性,扩大其适用范围;(2)被动控制装置耐久性的研究及其材料性能的研究;(3)被动控制减震效果的定量设计控制问题;(4)被动控制系统的可靠性研究:包括结构自身可靠性与控制器可靠性的研究;(5)被动控制装置的安装、维修与更换;(6)被动控制的应用开发研究:包括编制我国的减震技术规程,进一步推广并正确指导应用减震技术。主动控制研究主动控制是应用现代控制技术,对输入地震动和结构反应实现联机实时跟踪和预测,并通过作动器对结构施加控制力来改变结构的系统特性,使结构与系统性能满足一定的优化准则,以达到减小或抑制结构地震反应的控制方法。由于实时控制力可以随输入地震改变,其控制效果基本上不依赖于地震波的特性,因此明显优于被动控制。结构主动控制的研究涉及控制理论、随机振动、结构工程、材料科学、生物科学、机械工程、计算机科学、振动测量、数据处理和自动控制技术,是一门交叉学科。主动控制通常包括两类基本控制方式:开环控制和闭环控制。开环控制方法是直接对系统扰动输入进行量测,根据系统扰动输入的情况综合出控制律。开环控制的在线计算量较小,对系统元件的精度要求较高,抗干扰力差。主动闭环控制法是通过适当的系统状态反馈或输出反馈,产生一定的控制作用,从而控制结构的振动。闭环控制的在线计算量较大,但具有较高的扰干扰的能力,对控制元件的要求也不高,而且能保持连续地对较高控制效果进行监测。目前对主动控制的研究多集中在理论领域,提出了相当多的控制算法。主动控制算法土木工程中应用的主动控制算法最初直接引用了现代控制理论的一般结果,如经典线性最优控制法等,这些算法目前仍是主动控制算法建立的依据。也有一些是根据土木工程的特点,专门用于土木工程的主动控制算法,如瞬时最优控制算法等。(1)经典线性最优控制法该算法基于现代控制理论,以线性二次型性能指标为目标函数来确定控制力与状态向量之间的关系式。目标函数中用权矩阵来协调经济性与安全性之间的关系,需求解Riccati方程。由于该算法忽略了荷载项,严格说来,由它得到的控制不是最优控制;但数值分析和有限的试验证明,这一控制算法虽然不是最优的,但是可行的和有效的。(2)瞬时最优控制算法该算法以瞬时状态反应和控制力的二次型作为目标函数,在动荷载作用的时间范围内,每一瞬时都实现其目标函数最小化。该算法不需求解Riccati方程,计算量减小;增益矩阵与受控结构的协调特性无关,控制系统的鲁棒性能较好;具有时间步进性,可推广用于非线性、时变结构系统。但该算法只是一种局部最优控制算法,从控制结构最大反应这个意义上讲,仍然不是最优控制。(3)极点配置法在状态空间里,系统矩阵决定系统的动态特性。可通过选择适当的增益矩阵,使闭环系统的动态特性取得满足设计者要求的预期值,这就是极点配置法。极点配置法在仅考虑对结构反应影响较大的少数几阶振型时,可以很容易实现。但这种方法所选择的增益矩阵通常都不是唯一的。因此极点配置法得出的控制律也不是最优的,但该算法较为简单、易行。(4)独立模态空间控制法独立模态空间控制法是基于振动体系振型分解的概念建立的,多个自由度体系的运动方程由正交原理可分解为个独立的对应不同模态的单自由度运动方程,对各模态可分别进行控制设计。对于求出的模态控制作用通过模态的参与矩阵进行线性变换,由模态控制作用得出结构控制作用。为了节省时间,控制设计可只针对几个主要振型进行。该算法的先决条件是结构必须可控而且可观测。在实际结构中,由于模态截断引起控制溢出和观测溢出,前者将影响实际系统的性能,而后者可导致残余模态的不稳定;而且该控制法显然仅对线性系统有效。严格来讲,独立模态控制的必要条件是控制器布满体系的所有自由度,但作为一种近似方法,控制器数目少于体系自由度时,亦可应用此法,只是所截取的振型数目要和控制器的数目相同。(5)随机最优控制法将随机最优控制理论用于结构控制,对于线性二次高斯问题(LQG),分离原理成立,可直接求解最优反馈控制的Riccati方程满足解答。对于其它的随机最优控制问题,分离原理还没有得到证明。工程上有许多随机过程都应用分离原理,将最优估计与最优控制分开进行,从而给设计工作带来方便,并且应用上大多是成功的,但其控制效果是否是最优的,在理论上尚未证明。(6)界限状态控制法根据结构的安全性、适用性和舒适性要求,预先给定结构反应的限值。一旦实际结构反应超出限值,则控制系统启动,利用外加控制力减低结构反应,这就是界限状态。该算法控制目标明确,实施简便,在线计算量小,适用于线性和非线性系统。界限状态控制法尽管在控制力计算中建立了目标函数,但脉冲控制力的施加在本质上仍是试探性和直接推断的,因此,它不是最优控制法。(7)自适应控制法自适应控制大致可分为自适应前馈控制、自校正控制和模型参考自适应控制三大类。结构振动自校正控制是一种将受控结构参数在线辨识与控制器参数整定相结合的控制方式。控制时辨识器根据系统的输入输出信息,在线地辩识系统的模型参数或状态,并自动校正控制律。这样,结构可以根据状态和干扰特性的变化自动校正控制动作,达到输出方差最小的控制目的。(8)模糊控制法模糊控制方法是处理工程结构和环境中不确定因素的一种有效的控制方法。模糊控制不需要对系统模型进行精确地计算,直接根据系统的输入输出特性给出控制指令,因此其控制