浅谈土木工程结构震动控制技术的发展

浅谈土木工程结构震动控制技术的发展

李北顺王治军

潍坊峡山生态经济开发区建设工程质量安全监督站山东潍坊261325

摘要：在土木工程建设的过程中，必须要注意地震对建筑的影响，因此，增强土木工程结构震动控制技术是建筑业必须要考虑的问题。本文进一步分析了土木工程结构震动控制技术的发展，以供同仁参考借鉴。

关键词：土木工程；结构；震动；控制技术

1土木工程结构震动控制原理

土木工程结构减震技术的运用，主要是在建筑结构的修建过程中，在一些特定的位置进行防震控制装备的安装与设置，一旦防震结构出现震动现象，突然施加的外来压力会将建筑结构中的动力作用或者动力特性进行改变，进而使防震结构的振动反应有效降低，采用合理的控制方式降低土木工程建筑结构在地震灾害中受到的损害程度，保证土木建筑结构具备一定的安全性能。若想进一步将结构震动反应减小，就动力学的角度而言，其一，应对消震进行综合考虑，采用一定的措施，控制地震输入结构，就现在的基本状况看来，这一方式难以直接实现；其二，在一定程度上缩减建筑工程整体的惯性力，以动力学中的基本原理作为依据，如果在建筑结构中出现相对较大的自振周期，其获取的加速度就会明显下降，故而可运用防震手段减小土木结构整体的惯性力；其三，运用增加建筑结构阻尼的手段，进行全面的防震，并进一步降低建筑结构受到的地震损害；其四，运用手动添加建筑构件的手段，在一定程度上消耗掉塑性变形的部分能量，并保证建筑结构的完整性以及安全性。

2土木工程中结构震动控制技术方法分析

按照建筑防震技术划分，可将土木结构控制的手段分为被动控制手段以及主动控制手段，半主动控制手段以及混合控制手段等。

2.1主动控制方法

主动控制的研究主要包括两个方面，一是主动控制算法的运用处理，二是主动控制装置的开发与应用。结构主动控制算法依然是使用现代控制理论之中的算法作为依据，然后根据土木工程结构自身的特点而做出一些特殊的处理。目前，广泛使用的主动控制算法有：经典线性主要有最优控制法、瞬时最优控制法、随机最优控制法、极点配置法、预测控制法、滑动模态控制法、模糊控制法以及神经网络控制法。结构主动控制的研究主要涉及到控制理论、随机振动、结构工程、材料科学、机械工程、计算机科学、振动测量、数据处理以及自动控制技术等等，具备一定的综合性。当前，它的研究主要是使用理论分析以及数据模拟分析作为主要方法。

虽然主动控制的研究取得了一定的成就，但是主动控制技术并不完全成熟。从现有研究来看，主动控制技术在可行性上还存在一定的限制因素。主要集中表现在四个方面：（1）主动控制系统在地震之中运作的问题。（2）时滞方面的问题。主动控制系统在工作的时候，因为在信号处理、运算、电液伺服等动作都需要相应的时间，因此产生了时间滞后这个不可避免的问题。（3）能量问题。主动控制系统的运作主要是依靠外部能源的输入，而在地震之中确保能源的相对可靠成为值得思考的关键问题。（4）设备维护的问题。通常生命线工程的大跨度桥梁的使用寿命是几十年，有的甚至要达到上百年，与此同时，主动控制系统也要在这段时间之内保持功能的完备。如何确保系统的完善，尤其是作为核心构件的计算机，其使用性能的保障工作成为亟待解决的问题之一。

2.2被动控制方法

被动控制主要是进行基础隔震和耗能减震。基础隔震就是在上部结构以及基础之间设置水平柔性层，从而使结构侧向振动的基本周期延长，进而减小水平地震地面运动对上部结构的作用。基础隔震的研究核心是研究开发出性能卓越并且价格低廉的隔震装置。在现阶段，基础隔震的使用已经相当广泛，隔震结构的分析、设计方法也日益成熟。从世界范围来看，已经有成千上万座隔震建筑以及桥梁建设完工，这些工程在实际的地震经历当中，都表现出了良好的减震效果。耗能减震则是在结构中设置非结构构件的耗能元件，其减震原理是：在结构振动的作用之前，耗能元件可以被动地往复相对变形或者在耗能元件之间产生往复运动的相对速度，通过这个方式能够消散结构振动的能量，进而减轻结构的动力反应。

目前，已经研究发展起来的耗能装置通常有金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、调谐质量阻尼器以及复合型耗能器等等。结构耗能减震从某种程度上来说，是能够经得住地震的考验的。

2.3半主动控制方法

半主动控制方法既有被动控制系统的可靠性，同时又具备主动控制系统的超强适应性，而且造价比较合适，因此在未来的使用上具有相当广阔的发展前途。半主动控制主要包括两种类型：主动变刚度控制系统和主动变阻尼控制系统。主动变刚度系统主要是通过主动变刚度控制装置来使得受控结构的刚度，在每一个采样周期之内依据外荷载的频谱特性，而在不同的刚度值之间进行切换，这样则可以使得受控结构在每一采样周期之内都可以远离共振状态，实现减振的目的。主动变阻尼控制系统则是通过控制装置来使受控结构的阻尼，可以在每一采样周期之内获得不同的阻尼状态之间来进行切换，从而达到减震的目的。

3土木工程结构震动控制技术的发展策略

3.1合理设计隔震及消能减震项目

地震常发带对土木工程的抗震能力要求非常高，土木工程不仅要具备基本的抗震能力还应该具有隔震和消能减震的作用。因此，土木工程研究人员应该在选址期间确保地基的密实性和稳定性，从根本上降低地震对建筑物整体质量的影响。另外，研究人员还应该结合建筑物自身存在差异，明确各建筑物的隔震系数，选择合适的隔震支座，提高建筑物的抗震性能。最后，研究人员还应该设计合适的隔震和抗震构建，明确建筑用材的延性，减小地震对建筑物的破坏。

3.2关注建筑结构的规则特性

实际施工中，为提高土木工程的抗震能力，施工人员还应该更高度关注建筑结构的规则特性。土木工程结构设计人员应该尽量选择最简单的抗侧力结构，与此同时确保结构的规律特性，在实际施工过程中，在合理分布建筑物承载能力的同时，还能提高建筑物的稳定性和牢固性。如果土木工程的结构不规则，施工时钢心和建筑物结构会出现严重的交错现象，一旦发生地震建筑物架构将出现严重偏离，整体强度降低后土木工程的稳定性也随之降低。因此，设计人员应该关注建筑结构的规则特性，减少因建筑结构不规则引发的地震灾害。

3.3合理选择建筑结构原材料

合理选择建筑结构原材料是提高建筑物整体质量的基础保障。钢筋材料在土木工程施工中使用范围非常广，钢筋材料的质量直接决定建筑物的整体抗震能力。因此，施工人员应该结合建筑施工的实际状况，选择合适的材料，在考虑钢筋韧性的同时还应该充分考虑钢筋的受力方向与竖直方向。在选取土木工程施工中使用其他材料时，施工人员在考虑材料抗震性能的同时还应该注重成本控制，从根本上为土木工程的发展提供动力。

4结束语

相关工作人员应不断提高自身的专业技能及综合素养，由整体角度设计土木工程项目的抗震性能，从而提高建筑项目的施工质量，保障人们的生命、财产安全。因此，对土木工程结构中的抗震技术发展进行探讨是值得相关工作人员深入思考的事情。

参考文献

[1]黄永林.基础隔震研究与应用的回顾与前瞻[J].地震学刊，2012（04）.

[2]杜琨.振动控制技术在土木结构工程中的应用[J].安徽建筑，2013（03）.