摘要：本文首先介绍了土木工程领域结构减震控制的三种方法，再阐述了目前结构减震控制中存在的问题，并对今后的土木工程结构减震控制研究方向进行展望。希望带给相关人员有用的启示。
关键词：土木工程；工程结构；减震控制
1.现代土木工程减震控制的方法
1.1被动控制
被动控制主要是进行基础隔震和耗能减震，基础隔震是在上部结构和基础之间设置水平柔性层，延长结构侧向振动的基本周期，从而减小水平地震地面运动对上部结构的作用。基础隔震的研究主要是研究开发出性能优越且价格低廉的隔震装置。1978年提出叠层橡胶支座隔震方法和技术，从此结构基础隔震进入了蓬勃发展的阶段。一些研究和应用较广的隔震装置包括夹层橡胶垫隔震装置、滚珠（或滚轴）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。目前基础隔震的应用已相当广泛，隔震结构的分析和设计方法也日渐成熟。世界上已建成了上千座隔震建筑和桥梁，并表现出良好的减震效果。2001年我国正式把隔震技术写入规范。
结构耗能减震是在结构中设置非结构构件的耗能元件，结构振动使耗能元件被动地往复相对变形或者在耗能元件间产生往复运动的相对速度，从而耗散结构振动的能量，减轻结构的动力反应。目前已经研究发展起来的耗能装置主要有金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、调谐质量阻尼器（TMD）和复合型耗能器等。被动耗能减震结构已在国内外建成了数百座，并在一定程度上经受了地震的考验。中国目前也有几十余座新建或加固的被动耗能减震建筑与桥梁。上海电视塔、珠海金山大厦、上海杨浦大桥等大型建筑都应用了耗能减震装置，并取得了很好的减震效果。
1.2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、滑动模态控制法、模糊控制法、神经网络控制法。
1.3半主动控制
半主动控制是应用少量外部能量或不需要外部能量，通过对控制系统中结构参数的实时调整来抑制结构动力反应。它既有被动控制系统的可靠性又有主动控制系统的强适应性，且造价适中，因而在未来将有广阔的发展前途。
半主动控制主要有主动变刚度控制系统和主动变阻尼控制系统。主动变刚度系统是通过主动变刚度控制装置使得受控结构的刚度在每一采样周期内都根据外荷载的频谱特性而在不同刚度值之间进行切换，从而使得受控结构在每一采样周期内都尽可能远离共振状态，达到减振的目的。主动变刚度控制在日本已经应用于工程实例。1990年日本首次在Kajima 研究所的一栋三层钢结构办公楼上安装了主动变刚度控制系统，该建筑已经受了中小地震的检验，并显示出了良好的控制效果。主动变阻尼控制系统是通过控制装置使得受控结构的阻尼在每一采样周期内都可能在不同的阻尼状态之间进行切换，以期达到减震的目的。1998年，日本Kajima 公司建成的一栋五层办公楼采用了主动变阻尼控制系统，该建筑在实际中小地震中已经显示出了良好的控制效果。
2.现代工程结构减震控制中存在的问题
虽然控制理论解决了许多复杂系统的控制问题，但在土木结构振动控制应用中仍存在很多难题。
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2.1数学建模问题
主要是因为建筑结构的体形都比较巨大，自由度近于无限，即使是采用相对比较精确的有限元建模方法，结构控制自由度数也是惊人的，因此在目前的结构振动控制中采用的都是经过极度简化和经过模态降阶的控制模型。这和实际建筑结构有很大差异。用这样的简化和降阶模型作出的控制，不能保证在实际地震中能产生预想的控制效果，而且，目前大部分控制算法与结构参数直接相关，结构参数的不确定性将导致控制性能恶化。
2.2外界荷载不确定的问题
建筑结构所受到的外界荷载不能按一般工业控制中当成外界扰动来处理，因为外界荷载是决定结构振动的主要影响因素。而且尤其像地震荷载这种不平稳随机过程，它不具有普遍意义上的统计随机性。对于某地地震动的频率、幅值、持时特性，人们只能利用当地的场地反应谱加以粗略估计。这种不确定性也必将导致实际控制性能与设计目标的差异。
2.3测量和时滞的影响
传感器采集到的结构状态信号不可避免存在噪声污染；观测传感器的精度与观测范围成反比关系，因此有可能由于未知因素的影响而造成观测溢出和控制溢出，从而造成控制性能下降甚至可能导致结构的不稳定，形成激振，加速结构的破坏。测量信号转换、信号处理、计算控制信号、施加控制力都需要一定的时间，从而造成控制的时滞，如果不考虑这个因素，就会造成控制效率的下降，甚至会造成控制结构的失稳。
3.结构减震控制的发展趋势
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，今后将向更加规范化、实用化发展。被动调谐质量减震装置的减震效果与地震波的频谱特性密切相关，对不同的地震波表现出较大的离散性，其减震效果差别较大。
主动控制的减震效果较好，其研究也取得较大的成就，但主动控制技术尚未成熟，还受到许多条件的限制，如能量、时滞、费用、维护、稳定性等。半主动控制具有被动控制的易实施和更经济的特点，而控制效果与主动控制相近，是今后的主要研究方向。混合控制的应用较为灵活，特别是隔震和耗能减震混合控制的应用较为广泛。结构振动智能控制是国际振动控制研究的前沿领域，利用智能材料制成的智能可调阻尼器和智能材料驱动器构造简单、调节驱动容易、耗能小、反应迅速、几乎无时滞，在结构主动控制、半主动控制、被动控制中有广阔的应用前景。
展望今后一个时期内，以下几个问题将是持续研究的热点课题：
（1）结构控制中建模与模型简化；
（2）确定反馈与控制增益最优关系的控制算法；
（3）实现半主动控制力的作动器装置；
（4）结构控制系统的数值仿真与试验验证；
（5）结构控制系统的工程应用；
（6）传感器和作动器的优化配置；
（7）结构控制的弹塑性非线性问题；
（8）由控制装置所产生的控制力而引起有控结构局部受力问题的研究；
（9）结构振动控制系统商业软件的开发和与现有抗震设计程序接口问题的研究；
（10）控制系统的可行性、稳定性、耐久性和经济性论证。
其中，控制算法的研究将主要集中在各种智能控制算法上，如模糊逻辑控制、神经网络控制、遗传算法控制以及几种智能控制算法的结合。半主动控制作动器装置主要有半主动变刚度装置、半主动粘滞变阻尼器、电流变阻尼器、磁流变阻尼器、压电变摩擦阻尼器、形状记忆合金阻尼器等装置。结构控制技术正在逐步与新兴控制技术、信息技术和新材料技术相结合，向自动化、智能化方向发展。
4.总结语
土木工程减震控制技术属于交叉学科，目前尚有许多问题有待于进一步的研究和规范。由于其在工程应用上具有明显优势，相信今后一段时间将是减震控制技术逐步走向成熟的时期。虽然减震控制技术目前在土木工程中尚未得到广泛应用，但由于其自身具有显著的“智能”优势，其良好的应用前景毋庸置疑。有理由相信，抗震必将为具有“疏导”思想的减震控制技术所取代。
参考文献：
[1]彭刚，张国栋.土木工程结构振动控制[M]，武汉理工大学出版社，2002.
[2]邓长根，日本建筑结构耗能减震研究和应用的若干新进展[J].四川建筑科学研究，2003（2）.
论文作者:张鑫
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/10
标签：结构论文; 主动论文; 装置论文; 控制系统论文; 土木工程论文; 刚度论文; 算法论文; 《防护工程》2018年第23期论文;