摘要：现如今，我国的地震自然灾害频繁的发生，我国的土木工程建设在不断的增多，土木工程中采用减震技术是为了防范地震自然灾害这一不可抗力因素，技术中也迎合了地震的随机性与突发性特征，希望在一定程度上缓解地震难以准确预测的这一世界性难题。探讨了土木工程减震技术中的主动控制与被动控制以及土木工程结构振动控制的相关问题。
关键词：土木工程；结构减震控制技术；应用
引言
以削弱工程结构振动反应为目的，把具体的一种外力或者某种控制结构又或者某种种子结构作力和设置在工程结构的指定位置，令结构的动力作用和动力情况发生一定的变化，这种目的和运作方式的技术被称为结构减震技术。这个技术的历史并不长，仅发展了三十年左右，属于一种新的工程设计技术，它的理论来源不仅有结构振动理论、计算机科学，还有控制论和新材料科学等学科内容。从更全面和细致的角度来看，结构减震控制技术主要用来削弱和减轻地震、强风和别的动力影响下建筑结构受到的波及，使其更稳定，对外界影响有更好的抵抗力，从而使建筑结构更安全、舒适和适用。
1结构减震控制原理
以单自由度体系为例，地震作用下的动力平衡方程为
结构抗震的问题就是由上述动力平衡方程来反映。减小结构的地震响应，需要从动力学方程来考虑。第1种办法是不让地震输入，即消震，也就是不让地震发生。目前这种方法的实现还是有相当大的难度。第2种办法是使得惯性力减小。根据动力学原理，结构自振周期大，获得加速度就越小，通过隔震方法实现这个目的。第3种方法是增加结构的阻尼，使结构构件所负担的地震作用减小。但是，通常结构自身的阻尼很小，钢结构自身阻尼比约为2%，混凝土结构约为5%。因此应设法增大结构的阻尼，即在主体结构之外增加一些阻尼器。第4种方法是人为地设置一些构件，利用这些附加构件的塑性变形消耗能量来保护主体结构的整体性。增加阻尼器和设置一些专门构件，都是为了消耗地震能量，前者靠阻尼器来消耗能量，后者靠塑性变形来消耗能量，统称为消能减震方法。第5种方法是在结构上另外附加一个质量—弹簧系统，相当于一个调频器，但该附加系统自身频率合适时，可以使得附加质量块的运动方向与结构的运动方向相反，从而减小结构的振动幅度，达到减震的目的。
2结构减震控制技术在土木工程中的应用
2.1被动控制在土木工程中的应用
被动控制在土木工程中的应用主要包括三种类型：基础隔震体系、耗能减震体系以及协调减震系统等。其中，基础隔震体系是选取相关隔震消设备安装于上部结构与基础之间，使地震能量向上部的输入实现降低，进而收获上部结构振动降低的成效。基础隔震土木工程中的应用，可显著缩减结构自振频率，适用于短周期的中低层建筑及刚性结构。因为隔震只可对高频地震波发挥作用，所以该项控制技术不适用于高层建筑。对于耗能减震体系而言，耗能剪力墙、耗能支撑等是较为常用的耗能元件，另外，摩擦阻尼器、金属屈服阻尼器及黏弹性阻尼器等则是较为常用的阻尼器。对于协调减震系统而言，应用相对较多的协调减震系统包括有液压质量振动控制系统、调谐质量阻尼器及协调液体阻尼器等。以调谐质量阻尼器为例，其属于一种小型的振动系统，主要由质量块、阻尼器及弹簧等组成。控制结构振动的机制为：调谐质量阻尼器置入原结构体系后，动力性能会出现转变，等到原结构在动力作用下产生距离振动后，因为调谐质量阻尼器质量块产生惯性作用，进而对原结构产生一个反作用力，如此一来，阻尼同样会产生耗能作用。
2.2半主动控制在土木工程中的应用
主动变刚度控制系统和主动变阻尼控制系统是半主动控制在土木工程中频繁出现的内容。主动变阻尼控制系统能够实现在所有的采样周期内，把受控结构的刚度和外荷载频谱特性结合起来，也就实现了能在任意刚度值之间切换的目的，从而在每一采样周期内，受控结构都能够避免陷入共振状态，实现了减震的最终目标，完成这个过程需要用到主动变刚度控制系统。相似的，主动变刚度控制系统可以在所有的采样周期内，任意切换获取的阻尼状态，完成减震目标，在这整个过程中，要用到控制装置。很明显，半主动控制技术糅合了主动控制和被动控制的优点，能够根据外界干扰和结构反应的共同反应，去调节工程结构。还需要提到的是，半主动控制技术操作控制设备的能量是来自于电池输出的能量，这就意味着，半主动控制技术避免了主动控制因地震等原因而无法获取能量的缺陷。种种优势的累积，使得可靠、实惠成为半主动控技术制应用控制设备的最大特点，也令半主动控制成为全世界土木工程结构减震控制技术中最常见的部分。
2.3主动控制技术体系
主动控制技术体系充分利用到了外部能源，在考量结构受到激励振动的过程中对结构施加控制力一改变它的结构动力特性，以达到快速见效结构振动反应的目的。主动控制结合传感器监测结构与实时控制力以改变输入地震波，在控制振动效果方面要优于被动控制。1989年日本所建成的世界上第一幢采用了AMD系统的11层办公楼京桥成和大厦就主要结合了这种主动控制技术，它对风振与中等地震具有良好的应付能力，其最下方6层都采用了1：4的钢框架模型顶层设置，配合AMD系统实现了对地震的主动控制过程。
3土木工程减震技术中的土木工程结构振动控制问题
土木工程减震技术中对结构振动的控制效果是基于多重因素展开分析的，例如它的结构特性、环境作用或控制算法等等。就以控制算法为例，它就涵盖了对极点的最优配置、模糊逻辑、二次型线性最优水平或对建筑发生地震后的位移速度与加速度变量观测等等。在这些有关土木工程结构振动控制的技术影响下，人们自始至终都希望建立一套统一模型，基于它的控制性能指标来检验、评价控制系统中所存在的不同环境因素，深入探讨环境因素影响下工程结构本身的适用性及有效性问题，所以与结构振动控制体系的相关问题才会被逐一提出并得到发展。在目前的土木工程减震技术应用与问题研究方面，人们正在从更加实用化的角度深入研究，例如探讨结构控制中有关建模与模型的讲话过程、结构控制系统的工程应用以及弹塑性非线性问题、包括控制系统的稳定性、可行性、耐久性与经济性特征。在这些技术问题研究指引下，土木工程减震技术也正在从结构控制基础技术向新兴控制技术过渡，实现更多层面的自动化、智能化技术应用结合，为人类建筑领域发展提供更多有价值参考。
结语
现阶段，结构减震技术的理论研究和应用推广在很多国家都有。作为一门技术门槛和科学门槛都不低的应用科学，结构减震技术的应用为各类建筑的抗震做出了巨大的贡献，使建筑物的适用性和安全性都大幅度提高。我国应重视结构减震技术的发展，把握住未来抗震技术的发展方向，进行更加深入的研究，推动其发展，从而推动土木工程建筑的发展。
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论文作者:尚冬
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/8
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