小议我国结构控制技术的发展以及存在问题

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摘要：随着结构控制学科、信息技术和材料科学的发展，科学家和工程师们从学习与思考中得到启示，对提土木工程领域结构减震控制的研究现状进行了分析，阐述了目前主要减震控制使用的原理和方法，对国内外新出现的减震控制方法和研究成果进行了综述和评价，对今后的研究进行展望并提出了发展方向。

关键词：概述 发展和原理 控制技术 存在问题

Abstract: with the structure control subjects, information technology and materials science development, the scientists and the engineers from learning and thinking about get inspiration, to mention civil engineering structure damping control research status is analyzed, the present main damping control using the principle and method of domestic and foreign new to the suspension control methods and research results are reviewed and evaluated, and the future research prospects and puts forward the development direction.

Key words: an overview development and principle of the control technology has a problem

中图分类号： TU318文献标识码：A 文章编号：

一. 概述

土木工程的英文是 Civil Engineering ,直译是民用工程，它是建造各种工程的统称。它既指建设的对象，硕士论文即建造在地上，地下，水中的工程设施，也指应用的材料设备和进行的勘测，设计施工，保养，维修等专业技术。

土木工程随着人类社会的进步而发展，至今已经演变成为大型综合性的学科，它已经出许多分支，如：建筑工程，铁路工程，道路工程，桥梁工程，特种工程结构，给水排水工程，港口工程，水利工程，环境工程等学科。土木工程共有五个专业：建筑学，城市规划，土木工程，建筑环境与设备工程和给水排水工程。土木工程作为一个重要的基础学科，有其重要的属性：综合性，社会性，实践性，统一性。土木工程为国民经济的发展和人民生活的改善提供了重要的物质技术基础，对众多产业的振兴发挥了促进作用，工程建设是形成固定资产的基本生产过程，因此，建筑业和房地产成为许多国家和地区的经济支柱之一。

二. 结构控制的发展以及原理

1.结构控制的发展

结构减震控制技术的发展是抗震理论和实践发展到一定阶段的产物,它是土木工程、地震工程、材料科学、计算机技术、控制技术等学科的交叉点。结构减震控制技术的发展经历了以下几个阶段:①概念建立阶段:结构控制概念的建立始于20世纪70年代;②研究阶段:理论研究和试验阶段,始于20世纪70年代;③应用阶段:试点工程始于20世纪80年代,推广应用则因不同的控制技术和方法而异。现代结构控制概念和理论自1972年T. P.Yao提出以来,受到广泛重视。自1978年9月,在苏格兰爱丁堡大学举行了欧洲“结构震动控制”学术交流会以来,国际上几次召开结构控制方面的学术会议。

我国古代许多减震技术和方法是我国古代工匠长期实践经验的总结,如我国大量传统木结构斗拱把柱安放于石臼上。20世纪50年代我国工程技术人员曾提出滑动基础隔震方法,并进行了工程实践。而现代减震控制技术和理论的研究则于20世纪80年代末正式起步, 90年代以后结构控制方面的研究者明显增多。2001年修订颁布的《建筑抗震设计规范》(GB 50011―2001)增加了隔振和耗能减震的内容。

2.结构减震控制原理

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,获得加速就越小,通过隔震方式实现这个目的。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。

三. 控制技术

1被动控制是一种不需要外部能源的结构控制技术，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、易于维护且无需外部能源支持等优点而引起了广泛的关注，并成为目前应用开发的热点，许多被动控制技术已日趋成熟，并已在实际工程中得到应用。被动控制从控制机理上可分为基础隔振和耗能吸能减振两大类。基础隔振是在上部结构与基础之间设置某种隔振消能装置，以减小地震能量向上部的传输，从而达到减小上部结构振动的目的。基础隔振能显著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，由于隔振仅对高频地震波有效，因此对高层建筑不太适用。耗能吸能减振耗能吸能减振装置主要有:金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘性液体阻尼器、调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、液压质量控制系统和质量泵等。

2主动控制是一种需要外部能源的结构控制技术，它是通过施加与振动方向相反的控制力来实现结构控制的，其工作原理如下:传感器监测结构的动力响应和外部激励，将监测的信息送入计算机内，计算机根据给定的算法给出应施加的力的大小，最后，由外部能源驱动，控制系统产生所需的力。如果传感器仅测量结构响应的信号，称控制系统为闭环控制;如果传感器仅测量外部激励的信号，称控制系统为开环控制;如果传感器同时测量结构响应和外部激励的信号，则称控制系统为闭-开环控制。主动控制可分为控制力型和结构性能可变型(半主动控制)两类。控制力型它的特点是采用能检测结构及外干扰振动的传感器，将传感器获得的信号作为控制振动的控制信号，通过作动器随时向结构施加控制力，以便及时控制结构的动力反应。控制装置大体上由仪器测量系统(传感器)、控制系统(计算机)、动力驱动系统(作动器)等组成。目前研究开发的控制力型的主动控制装置主要有:主动质量阻尼系统、主动拉索系统、主动支撑系统、主动空气动力挡风板系统、气体脉冲发生器系统等。结构性能可变型(半主动控制)它是利用控制机构来主动调节结构内部的参数，使结构参数处于最优状态，所需的外部能量比控制力型小得多。结构性能可变型主动控制更容易实施而且也更为经济，而控制效果又与前者相近，因此结构性能可变型主动控制目前具有更大的研究和应用价值。结构性能可变型主动控制往往采用开关控制或称为"0-1"控制，通过开关改变控制器的工作状态，从而改变结构的动力特性。目前，较为典型的结构性能可变型主动控制装置有:可变刚度系统、可变阻尼系统、主动调谐参数质量阻尼系统、可控(电流变或磁流变)液体阻尼器、可控摩擦式隔振系统等。

3混合控制是主动控制和被动控制的联合应用，使其协调起来共同工作。这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量，又可以利用主动控制系统来保证控制效果，比单纯的主动控制能节省大量的能量，因此有着良好的工程应用价值。目前混合控制装置主要以下几种:主动质量阻尼系统(AMD)与调谐质量阻尼系统(TMD)或调谐液体阻尼系统(TLD)相结合的混合控制;主动控制与阻尼耗能相结合的混合控制;主动控制与基础隔振相结合的混合控制等。

四.结构控制中存在的问题

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做出的控制,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.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。对于某地震动的频率、幅值、持时特性,人们只能利用当地的场地反应与粗略估计。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。

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。

4.非线性问题

建筑结构非线性问题包括2个方面,结构非线性和几何非线性。结构非线性主要是由结构材料的非线性所决定。由于目前结构设计方法是允许结构发生塑性变形,在结构遭受多年一遇甚至百年一遇的地震荷载作用时,结构在地震作用下可能已经进入塑性状态,而结构在地震荷载和强风荷载作用下,由于位移很大, P-效应将是一个不可忽略的几何非线性问题。因此,在结构特性发生变化时,结构振动控制应该对控制律作实时调整,否则会使结构控制品质下降甚至恶化。

5 总结

人们生活水平的不断提高，必然要求越来越舒适的居住环境，在这种情况下，建筑的发展直接推动了土木工程的发展。解放时期后，随着国家对基础建设的投入的不断加大，一座座高楼想雨后春笋一样出现在中华大地。本文总结了相关的控制技术以及存在的问题，我们要正视存在的问题，才能发展得更好。

作者简介：陈早玉（身份证号码：36062219781201151X）。

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