摘要：工程結(jié)構(gòu)的減震控制技術(shù)是土木工程的前沿領(lǐng)域.本文闡述了該領(lǐng)域的研究狀況,包括被動控制、主動控制、混合控制和半主動控制。結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)內(nèi)容分析其優(yōu)越性。
　　關(guān)鍵詞：減震控制,隔震消能,減震
　　1引言
　　地震是人類需要面對的一種突發(fā)性、破壞性的自然災(zāi)害。由于其隨機(jī)性，一直以來地震的發(fā)生難以準(zhǔn)確預(yù)測，往往給人類造成災(zāi)難性后果。世界上破壞性的強(qiáng)地震平均每年約18次。20世紀(jì)以來，地震引起的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千億美元，并導(dǎo)致約136萬人死亡和近千萬人嚴(yán)重傷殘。2008年，在我國汶川發(fā)生的8.0級地震導(dǎo)致的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失更是慘重。因此，研究更加安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的結(jié)構(gòu)新體系是工程結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的主要課題，對有效地減輕地震災(zāi)害有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法是依靠增加結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、變形能力來抗震的,此時,容許很大的地震能量從地面?zhèn)鬟f給結(jié)構(gòu)。而抗震設(shè)計(jì)主要考慮的問題是如何為結(jié)構(gòu)提供抵抗這種地震作用的能力。盡管通過適當(dāng)選擇塑性鉸的位置和仔細(xì)設(shè)計(jì)構(gòu)件的細(xì)部構(gòu)造可以確保結(jié)構(gòu)的整體性和防止倒塌的發(fā)生,但結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷是不可避免的[5]。而減震控制方法則是在工程機(jī)構(gòu)的特定部位裝設(shè)某種隔震裝置，或某種耗能機(jī)構(gòu)，或某種附加子結(jié)構(gòu)，或施加外力，以改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力特性或動力作用，從而使工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力反應(yīng)限制在容許的范圍內(nèi)，從而確保工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和適用性[1][2]。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法相比,減震控制方法具有安全可靠、更加有效、經(jīng)濟(jì)節(jié)省和適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn),是工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)積極有效的方法和技術(shù)。
　　2 工程結(jié)構(gòu)控制減震機(jī)理
　　工程結(jié)構(gòu)控制的減震機(jī)理，可簡單地用結(jié)構(gòu)的動力方程式予以說明。 　　

　　工程結(jié)構(gòu)控制就是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率ω或自振周期T（通過改變K,M）或增大阻尼C，或施加外力F(t)，以大大減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并設(shè)為確保結(jié)構(gòu)本身及結(jié)構(gòu)中的人、儀器、裝修等的安全和處于正常使用環(huán)境狀況所允許的結(jié)構(gòu)加速度、速度和位移反應(yīng)值，只要滿足式（2）即能確保結(jié)構(gòu)本身及結(jié)構(gòu)中的人、儀器、裝修等的安全及處于正常使用環(huán)境狀況：
　

　　3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
　　1972年，美國普渡大學(xué)的J.T.P.Yao教授結(jié)合現(xiàn)代控制理論，首次明確提出了土木工程結(jié)構(gòu)控制的概念。他在論文“結(jié)構(gòu)控制的概念”和以后文章中指出:應(yīng)用結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是解決結(jié)構(gòu)工程安全性問題的一個可替代的方法,從而為結(jié)構(gòu)控制理論在土木工程中的應(yīng)用指出了光明的前景[6]。近40年來,國內(nèi)外學(xué)者在結(jié)構(gòu)控制的理論、方法、試驗(yàn)和工程應(yīng)用等方面取得了大量的研究成果。
　　結(jié)構(gòu)控制的概念可以簡單表述為:在工程機(jī)構(gòu)的特定部位裝設(shè)某種隔震裝置，或某種耗能機(jī)構(gòu)，或某種附加子結(jié)構(gòu)，或施加外力，以改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力特性或動力作用，從而使工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力反應(yīng)限制在容許的范圍內(nèi)，從而確保工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和適用性[1][2]。結(jié)構(gòu)減震控制根據(jù)是否需要外部能量輸入可分為被動控制、主動控制、混合控制和半主動控制四類。如圖所示：
　　3.1被動控制
　　被動控制是一種不需要外部能量的減震控制技術(shù),一般是在結(jié)構(gòu)的某個部位附加一個子系統(tǒng),或?qū)�結(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件做構(gòu)造上的處理以改變結(jié)構(gòu)體系的動力特性。被動控制因其構(gòu)造簡單、造價低、易于維護(hù)且無需外部能量支持等優(yōu)點(diǎn)而引起了業(yè)內(nèi)人士的高度關(guān)注,許多被動控制技術(shù)已日趨成熟，并在實(shí)際工程項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。被動控制從控制機(jī)理上可分為基礎(chǔ)隔震和耗能減震兩大類[7]。
　　3.1.1基礎(chǔ)隔震體系
　　基礎(chǔ)隔震體系是指在結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)面（或底部柱頂）之間設(shè)置某種隔震裝置，以減小地震能量向上部的傳輸，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。隔震裝置必須具備以下條件:具有較大的變形能力;具有足夠的初始剛度和強(qiáng)度;能提供較大的阻尼,具有較大的耗能能力[5]。目前應(yīng)用較廣的隔震裝置有夾層橡膠墊隔震裝置;滾珠(滾軸)加鋼板消能裝置;粉粒墊層隔震裝置;鉛塞滯變阻尼器隔震裝置;鋼滯變阻尼器隔震裝置;基底滑移隔震裝置;懸掛基礎(chǔ)隔震裝置;混合隔震裝置等。
　　基礎(chǔ)隔震是發(fā)展最早、最快的結(jié)構(gòu)減震控制方法,它在技術(shù)上比較成熟,減震效果明顯,構(gòu)造簡單、造價經(jīng)濟(jì),理論研究和試驗(yàn)研究成果也比較豐富和完善,是目前大多數(shù)減震控制結(jié)構(gòu)所采用的方法。日本1985-1999年底,共建成隔震房屋約700棟。中國的隔震房屋也由1995年的30棟增加至70棟,近期又有部分隔震房屋建成。新西蘭、美國等國家也有相當(dāng)數(shù)量的隔震房屋建成,并且已有部分基礎(chǔ)隔震房屋經(jīng)受了實(shí)際地震考驗(yàn)。基礎(chǔ)隔震不僅應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu),在橋梁結(jié)構(gòu)上應(yīng)用也非常廣泛,橋梁隔震與房屋隔震相似,不同的是隔震支座設(shè)置于橋墩與梁之間。1973年新西蘭Motu橋首次采用了U形彎曲鋼梁隔震系統(tǒng)。美國于1984年將隔震技術(shù)應(yīng)用到橋梁上,對Sierrapoint橋進(jìn)行抗震加固。日本于1990年建成第一座隔震橋梁———宮川大橋。至今,新西蘭、意大利、日本和美國等已有數(shù)百座橋梁采用了隔震技術(shù),并制定了相應(yīng)的隔震設(shè)計(jì)規(guī)程。橋梁隔震形式有多種,其中使用最廣的是鉛芯橡膠支座。鉛芯橡膠支座不僅可以提供較大的初始水平剛度以滿足在正常使用荷載作用下只產(chǎn)生小位移,并能自動復(fù)位,又能以較小的屈服后剛度來實(shí)現(xiàn)期望的隔震效率。此外,鉛芯橡膠支座可調(diào)參數(shù)多,性能較穩(wěn)定,耐久性、抗疲勞性也均可滿足橋梁的使用要求[5]。
　　3.1.2消能減震體系
　　消能減震體系是把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件設(shè)計(jì)成消能桿件，或在結(jié)構(gòu)的某些部位裝設(shè)消能裝置。在風(fēng)或小地震時，這些消能構(gòu)件或消能裝置具有足夠的初始剛度，處于彈性狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)中、強(qiáng)地震時，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，消能構(gòu)件或消能裝置率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，使主體結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài)，并迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。
　　3.1.3調(diào)諧質(zhì)量阻尼振動控制系統(tǒng)（TMD）
　　調(diào)諧質(zhì)量阻尼振動控制系統(tǒng)（TMD），由結(jié)構(gòu)和附加在主結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)組成。附加的子結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量、剛度和阻尼，因而可以調(diào)整子結(jié)構(gòu)的自振頻率，使其盡量接近主結(jié)構(gòu)的基本頻率或激振頻率。這樣，當(dāng)主結(jié)構(gòu)受激振而振動時，子結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生一個與結(jié)構(gòu)振動方向相反的慣性力作用在主結(jié)構(gòu)上，使主結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)衰減并受到控制。
　　3.1.4調(diào)諧液體阻尼振動控制系統(tǒng)（TLD）
　　TLD系統(tǒng)采用儲存在某種容器中的液體質(zhì)量作為子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，它的調(diào)諧減震作用是通過容器中液體振蕩產(chǎn)生的動壓力和粘性阻尼耗能來實(shí)現(xiàn)的。
　　3.1.5 質(zhì)量泵
　　質(zhì)量泵是一種液體質(zhì)量阻尼器，通過導(dǎo)管中液體往復(fù)流動時的慣性和粘性來消耗能量。質(zhì)量泵只需很少的液體便可發(fā)揮較大的等效質(zhì)量和等效阻尼的作用。
　　3.1.6 液壓－質(zhì)量振動控制系統(tǒng)（HMS）與液壓阻尼控制系統(tǒng)（HDS）
　　HMS系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)和質(zhì)量塊組成。當(dāng)結(jié)構(gòu)振動時，液體和質(zhì)量塊隨之振動，從而耗散和吸收振動能量，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的減震作用。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉和易于應(yīng)用等特點(diǎn)，而且控制效果較好。用HMS系統(tǒng)控制底層柔性結(jié)構(gòu)柔性底層的地震反應(yīng)，能夠滿足底層大空間的建筑功能要求，同時使上部結(jié)構(gòu)的底層位移反應(yīng)減小。后來，在HMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了HDS系統(tǒng)。
　　3.2 主動控制
　　結(jié)構(gòu)主動控制是指利用外部能源，在結(jié)構(gòu)物受激勵振動過程中，按預(yù)定的減震控制目標(biāo)，瞬時施加控制力或瞬時改變結(jié)構(gòu)的動力特性，以迅速衰減和控制結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)的一種減震技術(shù)。主動控制涉及多個技術(shù)領(lǐng)域，目前仍處于探索階段，但主動控制更具有潛力。
　　3.2.1 主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)（AMD）
　　AMD系統(tǒng)通過安裝在結(jié)構(gòu)上的監(jiān)測器，連續(xù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)反應(yīng)的狀態(tài)向量，根據(jù)閉環(huán)控制理論，計(jì)算機(jī)將由時變的狀態(tài)向量和反饋向量得出控制力。然后利用電液伺服裝置，在系統(tǒng)慣性質(zhì)量與結(jié)構(gòu)間提供一對控制作用力，用以調(diào)整主結(jié)構(gòu)與慣性質(zhì)量之間的能量分配。AMD系統(tǒng)抗震及抗風(fēng)效果都較好，但對剛度較敏感，而且造價高。
　　3.2.2 主動拉索系統(tǒng)（ATS）
　　ATS系統(tǒng)是在拉索上安裝液壓伺服系統(tǒng)，并在結(jié)構(gòu)中設(shè)置傳感器，當(dāng)外力作用時，傳感器把測到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)在考慮了外激勵的不確定性后，確定對拉索施加的控制力。該系統(tǒng)對阻尼和剛度的誤差不敏感，但對時滯較敏感。它能提供橫向及扭轉(zhuǎn)控制力，控制效果較為理想。
　　3.2.3 主動支撐系統(tǒng)（ABS）
　　在抗側(cè)力構(gòu)件上增加斜撐，利用電液伺服系統(tǒng)控制斜撐的收縮運(yùn)動，構(gòu)成主動控制裝置。該系統(tǒng)可利用結(jié)構(gòu)上已有的支撐構(gòu)件，適用于高層、高聳和大跨結(jié)構(gòu)。
　　3.3 混合控制
　　混合控制是將主動控制與被動控制施加在同一結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)振動控制形式。近年來研究最多的是以被動控制為主，主動控制為輔的主從結(jié)合方式，將被動控制與主動控制相結(jié)合，取長補(bǔ)短，既達(dá)到了保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震安全和風(fēng)振舒適感，又獲得了直接的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
　　3.4 半主動控制
　　半主動控制一般以被動控制為主體，僅需少量能量用于改變被動系統(tǒng)的參數(shù)或工作狀態(tài)，以適應(yīng)系統(tǒng)對最優(yōu)狀態(tài)的跟蹤。半主動控制比主動控制容易實(shí)施并更經(jīng)濟(jì)，而且控制效果又與主動控制相近，所以有較大的研究和應(yīng)用開發(fā)價值。半主動控制機(jī)構(gòu)往往都利用開關(guān)控制或稱為“0－1”控制，通過開關(guān)改變控制器的工作狀態(tài)，從而改變機(jī)構(gòu)的動力性能，以達(dá)到比被動控制更好的控制效果。
　　4 結(jié)語
　　我國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]第12節(jié)為“隔震和消能減震設(shè)計(jì)”，現(xiàn)各地已有許多采用隔震和消能減震技術(shù)的建筑，并且部分已經(jīng)歷了地震的考驗(yàn)。實(shí)踐證明，隔震和消能減震概念明確、效果明顯。
　　隔震體系就具備明顯的減震能力，與傳統(tǒng)的抗震體系相比較，隔震體系具有下述優(yōu)越性：明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)、降低房屋造價、抗震措施簡單明了、震后無需修復(fù)、上部結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)限制較小等。
　　消能減震結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：安全可靠、降低結(jié)構(gòu)造價、有效減輕結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。
　　參考文獻(xiàn)
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　　2． 鄧長根．日本建筑結(jié)構(gòu)隔震減震研究新進(jìn)展．世界地震工程，2002（3）
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　　5． 元興軍，土木工程結(jié)構(gòu)減震控制方法綜述，工程建筑，2006
　　6． 劉勇，結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用，山西建筑，2006
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