结构振动控制发展及其应用概述

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1、结构振动控制发展及其应用概述：简要分类总结了目前工程界研究的结构控制方法，阐述其工作原理及应用状况，最后指出了结构控制领域的发展方向。1引言地震是危害结构的重大自然灾害，近年来世界范围内地震频发，汶川、玉树乃至智力等地震高震级地震较以往更为频繁，引起世界范围内对工程结构抗震的新一轮研究热潮。除对结构体系进行抗震设计外，结构振动控制也是抗震领域的热点话题。一般而言，根据控制时是否需要外加能源，结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。本文概述了结构振动控制的各种控制技术，对各种控制方法进行了对比，并简要介绍了其应用状况与发展方向。2被动控制被动控制是在结构中设置一些装

2、置，以达到隔离、调谐、吸能、耗能减振的目的。被动控制的主要特点是不需要外部能源、技术简单、造价低、性能可靠。被动控制根据机理不同又可分为隔振、调谐减振和吸能减振三大类，目前已开发出多种被动控制装置，并逐步在实际工程中推广应用。2.1隔振隔振包括基础隔震和层间隔振。隔震技术的原理，其一是隔震系统的柔性层使结构的振动周期加大并远离地震动的卓越周期；其二是增大了结构体系的阻尼。总体效果体现在增大结构自振周期，远离地震波的高频主导能量，降低结构地震响应[1]。目前研究开发的基础隔震技术主要有夹层橡胶垫隔震、摩擦滑移隔震、滚珠及滚轴隔震、支撑式摆动隔震、铅芯橡胶垫隔震、混合隔震等。我国自80年

3、代后期开始研究隔震技术，隔振装置都经过了大量实验研究，1996年后转向工程试点和推广应用，并在《建筑抗震设计规范》中增加了隔震和消能减振内容[2]，表明隔震技术的研究与应用已逐步趋向成熟，将在我国得到规范化的推广[3]。2.2调谐减震调谐减振控制系统是由结构和附加在主结构上的子结构组成。附加的子结构具有质量、刚度和阻尼，因而可以调节子结构的自振频率，使其尽量接近主结构的基本频率或激振频率，这样当主结构受激振而振动时，子结构就会产生一个与主结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上，使主结构的反应衰减并受到控制[1]。子结构的质量可以是固体质量也可以是液体质量。结构被动调谐减振控制的装置主

4、要有调谐质量阻尼器（TMD）和调谐液体阻尼器（TLD）、调谐液柱式阻尼器（TLCD）振动控制系统等。2.3吸能减震耗能减振技术是在结构中设置一些耗能装置以达到减振的目的。耗能减振的原理是，安装在结构中的耗能装置在结构振动时发生塑性屈服或摩擦滑动或克服阻尼力做功，将结构的部分动能转化为热能而耗散掉，从而达到减振的目的。常用的阻尼减振装置根据耗能机理的不同主要分为以下四类：粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、金属屈服阻尼器和摩擦阻尼器。耗能减振技术因其减振效果好、构造简单、造价低廉、适用范围广、维护方便等特点而愈来愈受到国内外学者的重视，多种不同类型的阻尼器已被研制出来且在应用中取得了良好的效果和

5、经济效益。据不完全统计，目前开展吸能减震技术研究的国家达20多个，实际应用工程已超过300余项，取得了明显的效果，例如已经倒塌的美国110层的纽约世界贸易中心采用了粘弹性材料；Concordia大学MeConnel图书馆中共设置了143个摩擦阻尼器[4]。3主动与半主动控制3.1主动控制主动与半主动控制是需要外界提供能源实现振动控制的一种方法，对振动主动控制的研究始于20世纪50年代末，随后得到了迅速发展，取得了丰富的理论研究成果，并成功应用于航天结构振动控制、土木工程结构抗震、高速车辆隔振及其它机械设备振动控制中。主动控制为有外加能源的控制，其控制力是控制装置按某种控制规律，利用外

6、加能源主动施加的。主动控制系统由传感器、运算器和施力作动器三部分组成。目前已提出的比较有应用前景的结构主动控制装置系统有以下几种：主动调谐质量阻尼振动控制系统（ATMD）；主动质量阻尼振动控制系统（AMD）；主动拉索振动控制系统（AST）；主动支撑振动控制系统（ABS）；主动可变刚性振动控制系统（AVSS）。主动控制发展的关键在于最优控制算法的发展，优秀的算法可带来比被动控制更好的减震效果。1990年日本建成的AVS控制的一幢3层钢结构建筑物，并经受加速度峰值为0.25g的强地震考验。地震实测记录表明：与无控结构相比，其结构位移反应减少90％，加速度反应减少60％[5]。3.2半主动

7、控制主动控制的缺点在于需要消耗巨大的外部输入能量。半主动控制为少量外加能源的控制，其控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调整自身的参数，从而起到调节控制力减小能量消耗的作用。现在的半主动控制技术主要有：半主动变刚度装置和半主动变阻尼装置、半主动流体阻尼控制装置、变摩擦控制装置、半主动调谐质量（液体）阻尼器控制装置、电磁流体耗能器控制装置、半主动隔震装置等[6]。4混合控制混合控制隔振系统则是发挥被动控制和主