物理论文：浅议结构振动被动控制

　　摘要：本文简要介绍了现代结构振动控制技术中的被动控制。归纳了被动控制的种类并给出了今后被动控制发展方向的个人意见。
　　关键词：结构振动控制论文，被动控制论文
　　0引言
　　结构受到外部传来的荷载：如地震、风和海浪等作用，会产生振动。对工程结构本身来说，这些振动是非常有害的，它使得结构的寿命缩短;并导致结构的破坏，使居住者产生不舒适感，增加维护的工作量以及增加建筑投资等等。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的估计结构未来可能遭遇的地震的强度和特性，而按传统方法设计的结构其抗震性能不能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。因此，必须将这些振动尽量减小，甚至消除。结构振动控制就是在这样的背景下提出的，并且在进过20多年的发展后，取得了一定的成效。结构控制技术作为一种积极的结构减振抗灾对策，受到了人们的广泛关注，并已开始在工程中得到应用。所谓结构振动控制是指采用某种措施使结构在动力载荷作用下的响应不超过某一限量,以满足工程要求。结构振动控制分为被动控制、主动控制、半主动控制及混合控制。而其中被动控制是目前在工程实际中应用最为广泛的一种控制方法。本文将对被动控制进行一些简单的介绍。
　　1被动控制的概念
　　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作构造上的处理以改变结构体系的动力特性。其主要优点是：成本低，不消耗外部能量、不会影响结构的稳定性。缺点是：对环境变化的适应力与控制效果不如其他方案。从控制机理上讲，被动控制有两条基本途径：一通过在结构的特定部位设置隔振装置来阻断建筑结构的能量输入，直接达到减振控制的目的，通常称之为隔振；二是通过附加在结构上的一些耗能阻尼器，如全金属屈服阻尼器、粘弹性阻尼器、流体阻尼器来耗散能量达到减振的目的，通常称之为消能减振被动控制。被动减振器一般由一个辅助质量构成，它借助液压汽缸与建筑结构弹性连接，并且当主质量与辅助质量之间产生相对运动时，设置在中间的减振元件起作用。
　　2结构被动控制研究与应用论文
　　2.1基底隔震技术
　　基底隔震技术是在结构地面以上部分的底部设置隔离层，使之与固结于地基中的基础顶面分隔开，使地震能量传递不到主体结构，从而达到减轻结构振动的作用。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，使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，远离下部结构的自振周期和地面的场地特征周期。从而把地面振动有效地隔开，明显地降低上部结构的地震反应。总的来说，隔震装置必须具备三项特性：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。基础隔震技术简单、性能可靠。
　　基础隔震技术简单、性能可靠，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。但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，且不适用于风振的控制。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。
　　2.2耗能减震技术
　　耗能减震技术是把结构物的某些非承重构件设计成耗能杆件，或在结构的某些部位装设阻尼器。在风或小震作用下，这些消能构件或消能装置具有足够的初始刚度，处于弹性状态，结构物仍具有足够的侧向刚度以满足使用要求。在强烈地震作用时，耗能构件或装置率先进入非弹性状态，从而保护主体结构及构件免遭破坏。耗能装置的种类有阻尼器、耗能支撑、耗能墙等。阻尼器的种类有金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、复合型阻尼器。耗能支撑的主要形式有偏心耗能支撑、摩擦耗能支撑、圆环耗能支撑。耗能墙的主要形式有带坚缝耗能墙、水平顶缝耗能墙和阻尼器耗能墙等。耗能减震技术吸收了传统的延性结构的设计思想，同时又克服了延性构件损坏后难以修复的缺点，具有性能稳定、技术条件简单、适用范围广、经济可靠等优点、已在新建工程、建筑抗震加固及震后修复工程中得到广泛的应用。
　　2.3吸能减震技术
　　吸能减震技术是通过附加的子结构，使结构的振动发生转移，即使原结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配，从而达到减小结构振动的目的。附加的子结构具有质量、刚度和阻尼，因而可以调整子结构的自振频率，使其尽量接近主结构的基本频率或激振频率。这样当主结构受激励而振动时，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，使主结构的振动反应衰减并受到控制。结构被动吸能减震控制的装置主要包括：调谐质量阻尼器(TurnedMassDamper，TMD)、调谐液体阻尼器(TurnedLiquidDamper，TLD)、摆式质量阻尼器、质量泵、液体—质量振动控制系统(HMS)和空气阻尼器等几种，其中TMD和TLD应用较多。TMD阻尼的作用取决于TMD响应滞后于结构响应90°相差条件，结果由TMD传输的弹性力变成粘滞力而作用于结构。这个条件只有当TMD频率被调谐至结构受控频率而且外激励覆盖这个频率成分时才发生。由TMD产生的阻尼起减小主结构位移的作用。TMD利用质量块的惯性，增大结构阻尼进行振动控制，其简便易行，且行之有效。对于TMD应尽可能将其设置于结构振幅最大处以取得最好的效果。
　　3被动控制的发展方向论文
　　从土木工程结构减震控制技术的发展来看，在基础隔震和耗能减震方面的研究较多，并且理论和方法相对比较成熟，已经在很多实际工程中加以应用。我国在结构振动控制的工程应用方面与先进国家（如美国、日本等）的差距很大。已安装控制装置的建筑物的数量极其有限，其中又以隔震装置比较常见。在我国结构振动控制目前多数应用于高耸结构中，但随着我国高层建筑特别是超高层建筑的发展，必将给结构振动控制带来更为广阔的发展空间。目前，结构抗震理论正在由确保结构在地震袭击下的安全性，向确保在地震袭击下结构功能正常发挥的方向发展。结构控制在建筑结构抗震中的地位越来越重要。在今后的发展道路上将要解决的问题有：1既适用于高频率的风振或小震，又适用于罕遇大震的复合减震控制系统；2被动控制系统与主动控制系统等其他控制系统相结合的混合控制系统；3被动控制系统的维护、保养措施和耐久性能；4统一的结构振动控制规范。
　　4结语
　　结构振动控制作为建筑结构的保护系统，它们应是结构本身的有机组成部分，而不应是应急措施，在设计阶段就应加以考虑。尽管结构振动控制还有着各种有待解决的问题，但是，结构振动控制必将是结构抗震、抗风设计的新的发展方向。虽然我国现目前在结构振动控制的工程实际应用中落后于其他发达国家，但是随着我国经济的发展以及日益强大的综合国力，追赶上世界先进水平的已是指日可待。
　　
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