工程结构振动方法与应用

1、工程结构振动与控制的方法与应用【摘要】振动控制是建筑结构抵抗地震作用，减小地震响应的一种有效方法。本文结合传统结构抗震与现代抗震技术，主要介绍了结构振动控制的概念、基本原理、分类及工程应用。重点阐述被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制等现代抗震技术的概念、原理、计算公式及工程应用的不同特点。并在结合振动控制的理念与实际工程应用中简单阐述自身对于工程结构振动与控制的理解。【关键字】被动控制 主动控制 半主动控制 混合控制 引言 随着社会的发展，工程结构形式日益多样化以及轻质高强材料的应用，结构的刚度和阻尼比变小。在强风或强烈地震荷载作用下，结构物的动力反应强烈，很难满足结构舒适性和安全性的要

2、求。 按照传统的抗风抗震设计方法，即以保证人的生命安全为原则的设计方法，是以概率论为基础，提出三水准的设防要求，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。结构要减小强震或大风下的振动反应，必然要进行能量转换或耗散，传统抗震结构体系实际上是依靠结构及承重构件的损耗来消耗大部分的输入能量，因此这种方法对某些不容许在地震中出现破坏的建筑结构(如核电站)是不适用的。另外传统抗震设计只考虑了结构物本身的抗震，并未考虑房屋内部设备的防震，当建筑物内有重要设备、精密仪器等情况时(如通讯中心，医院等)，也是不适用的。传统抗震方法以“抗”为主，主要通过加大构件截面，多加配筋来提高建筑物的抵抗地震能力，其结果是构件截面

3、越大，建筑物刚度越大，地震作用也越大，所需构件截面及配筋就越大，恶性循环，大大提高建筑物的造价。 由上可知，传统的抗震设计方法在经济和安全上已不能满足工程实践中新材料、新的结构形式不断提出的需要，同时还不能满足日益现代化的机器设备不能因为剧烈振动而中断工作或者破坏的要求。从而促使工程结构振动控制理论在工程结构的实践中开始得到应用，结构振动控制可以有效地减轻结构在风和地震等动力作用下的反应和损伤，提高结构的抗震能力和抗灾性能，结构振动控制通过在结构上设置控制机构，由控制机构与结构共同控制抵御地震动等动力荷载，使结构的动力反应减小。一、工程结构振动控制的概念及原理 工程结构振动控制是指在结构的特定

4、部位安装某些特殊装置(如隔震垫等)、某种机构(如耗能支撑、耗能剪力墙等)、某种子结构(如调频质量块等)或施加外力，以改变或调整结构的动力特性和动力作用，使工程结构在地震(或风)的作用下，其结构的动力响应(加速度、速度、位移)得到合理的控制，确保结构本身及结构中的人员仪器设备的安全和处于正常的使用环境状况。自1972年美籍华裔学者姚治（J.T.P.Yao）教授明确提出木工程结构控制的概念以来，国内外很多学者在结构控制的方法、理论、试验和应用等方而取得了大量研究成果。隔震消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，即明显有效减震(能使结构地震响应减到10%或更低)，保护主体结构在外界

5、荷载作用下不至于出现严重的损坏。控制系统的基木元素为传感器、处理器(也称控制器)和作动器。传感器感受外部激励及结构反应的变化信息；处理器接受这此信息并依据一定的控制算法计算所需控制力；作动器则产生所需的控制力作用到结构上，从而实现对结构的控制。二、工程结构振动控制的分类及应用 结构振动控制按照控制措施是否需要外部能源，可以分为主动控制系统、半主动控制系统、被动控制系统及混合控制系统。1、结构被动控制振动控制中的被动控制技术是相对于主动控制技术和半主动控制技术而言的，它是一种不需要外部能源、单纯依靠控制装置与结构相互作用提供控制力的结构控制技术。被动控制的设计思想是采用直接减少振动能量（消振）、

6、隔离振动能量（基础隔振）、转移振动能量（吸振减振）、消耗振动能量（耗能减振）等方法达到减少结构振动的目的。从控制机理上说,可以通过以下三条基本途径实现结构的被动控制。(1) 隔震：即通过在结构特定部位设置隔震装置阻止外界对结构的能量输入, 直接达到减震控制作用。隔振结构包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分。隔震可分为基础隔震和层间隔震两类。隔震装置具有可变的水平刚度，在强风或微小地震时，具有足够的水平刚度，上部结构水平位移极小，不影响使用要求；在中等强度地震下，其水平刚度较小，上部结构水平滑动，使刚性的抗震结构体系变为柔性隔震结构体系，其固有自振周期大大延长，远离上部结构的自振周期和地面的场

7、地特征周期，从而把地面震动有效地隔开，明显地降低上部结构的地震反应。通常情况下，隔震体系上部结构的加速度反应值可降低为非隔震结构的1/4l/12。由于隔震装置的水平刚度远远小于上部结构的层间水平刚度，所以，上部结构在地震中的水平变形，从传统结构的“放大晃动型”转变为隔震结构的“整体平动型”，使得上部结构在强烈地震中仍处于弹性状态，有效的保护结构本身，同时也能有效的保护结构内部装修和精密设备。由于隔震装置具有水平弹性回复力，使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动复位功能，可满足震后的使用功能。隔震结构体系能有效保护上部结构，因此在各种生命线工程、宿舍楼、商场、精密仪器室等重要建筑中得到了广泛的应用，

8、如在我国昆明新机场就采用了橡胶垫隔震装置进行基础隔振。目前应用和研究较广的隔震装置有：夹层橡胶垫隔震装置（如图1.1）、滚珠(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。 图1.1 铅芯橡胶隔震支座及其滞回曲线 (2)耗能减震：通过附加在结构上的耗能阻尼器耗散地震能量, 来实现减震的目的。耗能减震技术的主要思想是把结构物中的支撑、剪力墙等构件设计成耗能部件或在结构物的节点或连接处装设阻尼器，在风载或小震作用下，耗能杆件和阻尼器处于弹性状态，当在强烈地震作用下，耗能杆件或阻尼器率先进入非弹性状态，结构产

9、生较大阻尼，耗散大量地震能量，使主体结构避免进入明显非弹性状态，从而保护主体结构在强震中的大幅度的损坏。耗能减震技术是在结构中设置非结构的耗能元件（耗能器或阻尼器），结构振动使耗能元件在被动的往复运动中耗散结构的振动能量，通过耗能装置产生摩擦、弯曲弹塑性滞回变形等来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减小主体结构的地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控震的目的。这比传统的依靠结构本身延性耗能显然是更近了一步，耗能元件一般不改变结构的形式，也不需要外部能量的输入。耗能减震技术由于技术相对成熟，施工方便，设备制造相对容易，减震效果明显等特点使之广泛用于多高层建筑抗震的设计和加固中。耗能支撑

10、属于一种耗能减震装置，结构耗能减震技术是在结构物某些部位设置耗能装置，耗能支撑正是通过在支撑结构中设置阻力器，增加支撑结构的耗能能力。在结构中设置耗能支撑可以在一定程度上提高结构的抗震、抗风刚度，同时又能凭借支撑中耗能器的滞回变形耗散地震能量。非承重的耗能支撑在强地震中能率先消耗结构的地震能量，迅速衰减结构的地震反应，并保护主体结构和构件免遭破坏，达到耗能减震和保护结构的目的。由于耗能支撑适用性强，耗能减震效果显著，因此在工程实践中也得到了广泛应用。目前常见的耗能支撑有耗能交叉支撑、摩擦耗能支撑、耗能偏心支撑、耗能隅撑、防屈曲耗能支撑（如图1.2）等多种形式。（a）屈曲约束支撑 （b）屈曲约束

11、支撑滞回曲线图1.2 屈曲约束支撑形式约束构件屈曲约束支撑普通支撑F填充材料核心支撑 (3)调谐减震：即通过振动模态间的相互转换, 将工程结构的主振动转移到附加系统上。常用的调谐减震控制系统有调谐质量阻尼器(TMD)（如图1.3）、调谐液体阻尼器(TLD)、质量泵控制器等。TMD系统的控制效果对输入地震动频率的依赖性较大，TLD系统是通过容器中液体的晃动来消耗和吸收结构振动的能量。调谐液体阻尼器是一种固定在结构上的具有一定形状的盛水容器，它对结构进行振动控制的机理是在结构振动的过程中,容器中水的惯性力和波浪对容器壁产生的动压力构成对结构的控制力,同时结构振动的部分能量也将由于水的黏性而耗散掉,

12、从而达到减小结构振动反应的目的。作为调谐减震控制系统中的核心部件，TMD是附加在主结构中的一个子结构，由质量块、弹簧、阻尼器组成。质量块通过弹簧(连接件)和阻尼器(耗能减震装置)与主结构连接在一起，一般支撑或悬挂在主结构上。质量块的存在使原结构产生了附加的质量、刚度和阻尼，通过子结构的这些基本特性调谐其自振频率，可以使其尽量接近主结构控制振型的振动频率。这样，当结构在外激励作用下产生振动时，主结构带动TMD系统一起振动，TMD系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上，对 （a）TMD 模型 （b）TLD 模型图1.3 调谐阻尼器模型结构的振动产生控制，TMD系统中的阻尼器也将发挥耗能作用，从而达

13、到减小结构振动反应的目的。上海全球金融中心为中国首次使用TMD的高层建筑，设计师在大楼90层、395米高处设立了2台风阻尼器。在测试中，当大楼双向摇摆达到5厘米时，阻尼器启动止振，止振时间仅需15秒。该装置使用传感器探测强风时建筑物的摇晃程度，通过计算机控制重约150吨的“大铁块”摇摆，以抑制建筑物由于强风引起的摇晃。被动控制具有构造简单、造价低, 易于维护且无需外部能源支持等优点，不需要外界能源，易于实现。目前, 许多被动控制技术均在实际工程中得到广泛的应用，已从医院、桥梁、大型商场等重要性建筑物推广到一般工业与民用建筑。结构被动控制(包括更早开始研究的基础隔震)由于不需要提供外部能源、经济

14、和易于工程应用的特点，在我国得到了广泛的研究和一定程度的应用。2、结构的主动控制 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。 图1.4

15、 结构AMD系统示意图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、滑动模态控法、模糊控制法、神经网络控制法。主动控制算法是主动控制的基础，它的目标是使主动控制系统在满足其状态方程和各种约束条件下，选择合理的增益 AMD系统（图1.4）是目前研究和应用较多的主动控制系统，它由被动控制中的调谐质量阻尼器（TMD）演变而来。矩阵，寻找最优的控制参数，使系统达到较优的性能指标，实现对结构的最优控制

16、。国内外学者经过多年的研究，已提出上述多种算法，但至今为止，普遍采用的是经典线性最优控制算法及瞬时最优控制算法。 AMD系统由质量块和主动作动器组成。由外部能源驱动其惯性质量运动，将结构的振动能量转变为AMD惯性质量的动能和阻尼元件的耗散能，同时AMD系统通过其在结构上的支承提供减小结构振动的控制力。AMD主动控制的发展已有十几年的历史了,1989年由日本的Ka汁ma公司率先完成了世界上主动控制的实践工程位于东京的11层的KyobashiSeiwa大厦,同年在美国国家地震工程研究中心,由SOONG等人完成了世界上第一个AMD主动控制试验AMD系统的应用已相当普遍并取得了成功。目前世界

17、已建成了带有AMD控制系统的几十座高层建筑、电视塔等大型桥塔结构。在国内，田石柱和刘季等人率先开展了结构振动的主动控制实验研究，完成了5层1:4模型框架的AMD振动控制实验。张春巍、欧进萍等人研究了海洋平台结构冰激振动和地震反应控制问题，进行了原型平台结构冰激振动和地震反应的AMD控制仿真分析。南京电视塔也采用了AMD进行风振控制。实践证明，AMD系统能有效地减小风振和地震反应。1994年日本东京建成高134.4米的岸住田大楼在顶层安装了两个AMD，质量块m=1.5t,最大滑动位移100cm,驱动器最大出力8.7t。该结构已经经历了地震考验，从实测结果看，结构的地震反应比无控下减小了50%-8

18、0%，说明AMD系统能有效地减小地震反应。主动控制的控制力由外加能源主动施加，振动控制设计的目的是如何合理选择控制力的施加规律，以使产生的控制力对结构的控制效果最好。研究的控制算法主要有最优控制算法、瞬时最优控制算法、智能控制算法(如人工神经网络、遗传算法等)、极点配置算法、自适应控制算法等。对主动控制装置研究较多的是主动控制调谐质量控制系统(AMD )、主动锚索控制系统、主动支撑系统等，其中哈尔滨建筑大学成功进行的结构主动控制试验的整套AMD系统的设计、生产和调试均是自行完成的。 虽然结构的主动控制较之被动控制效果更加明显，但由于主动控制需要输入较多的外部能源，再加上系统的可靠性问题、以及时

19、性更复杂和昂贵的硬件设备等原因，在我国主动控制的研究更多地集中于主动控制算法、效果仿真分析和控制装置的试验研究等方面。3、半主动探制半主动控制是一种处于被动控制和主动控制之问的一种比较新颖的控制方法。它是根据结构的振动反应或动荷载的信息，实时改变结构的参数(如阻尼，刚度等)来减小结构振动的响应。半主动控制不需要直接向结构施加控制力，所需能量输入很小，却能达到接近主动控制的控制效果，其经济性、可靠性和高效性的优点非常适合我国国情，将成为我国建筑结构振动控制的主要发展方向。图1.5 主动变刚度结构示意图 半主动控制可分为变刚度和变阻尼两种。日本学者Kobori等首先提出主动变刚度(AVS)控制技术

20、，通过探测并预见地震的特性，改变和控制结构的刚度，使结构的周期避开地震的卓越周期，建立一种所谓的非共振状态，并且是从全局上施加的控制作用，从而有效地达到了减少结构振动反应的目的,主动变刚度结构如图1.5所示。主动变阻尼(AVD)控制系统由Hrovat首先提出，他对应用可变阻尼器控制结构的风振反应进行了研究，通过数值仿真分析，得到了与主动控制接近的效果。李忠献等结合国内外对AVD控制技术研究理论和研究经验的基础之上，提出了MR阻尼器应用于结构振动控制的变阻尼控制技术。计算实例分析结果表明，采用MR阻尼器对结构进行半主动控制能够有效地减小结构的地震反应。主动变刚度控制实质上是根据结构振动过程中位移

21、和速度状态自动调节可变刚度的开关状态，吸收和释放振动能量。当打开增加刚度开关时，控制装置充分吸收振动能量；当关闭增加刚度开关时，控制装置消耗和释放吸收的振动能量。谭平等将主动变刚度(AVS)控制和主动变阻尼(AVD)控制有机地结合起来，提出了一种崭新的半主动控制技术一主动变刚度阻尼(AVSD)控制。通过增加可变阻尼项，增强了主动变刚度控制装置在释放能量阶段的耗能效果，不仅具有AVS控制系统能动地避开地震动卓越周期的优点，同时又具有AVD控制系统消减反应峰值，对较宽频带内的外界激励所具有的非频变的减振特性。 半主动控制方法是目前性能价格比最高、最具工程应用前景的一种结构控制方法。它既可以主动避开

22、地震卓越频率，又具有非频变的减震性能，同时避免了主动控制需要大量外部能源的缺点，在控制措施方面还沿用被动控制系统的措施，经济有效。半主动控制技术在日本已有应用，如日本鹿岛公司东京鹿岛技术研究所大楼是世界上第一座采用主动变刚度控制系统的建筑物，并于1990年建成。在此系统中，应用液压元件改变刚性支撑和大梁的连接条件，随时调节层间刚度，避免共振，该系统能耗比较低，所配备的备用电源在市电停止供应时尚可工作3分钟。4、混合控制 混合控制是将主动控制与被动控制装置同时施加于同一结构上，协调共同工作的一种结构振动控制形式。混合控制将主动控制与被动控制相结合，取长补短，被动控制由于引入了主动控制，其控制效果

23、显著增强，系统可靠性得以提高；另一方面，主动控制由于被动控制的参与，主动控制所需的控制力大大减小，抗震系统的稳定性和可靠性都较主动控制有所增强。混合控制从其控制元件所起的作用相对大小来看，有两种组合形式：(1) 主从组合形式：即以某一控制元件为主，其他控制元件通过主要元件实现对结构的控制；(2) 并列组合形式：即两种控制形式各自独立工作，对结构实施校正作用。 目前研究较多的是以被动控制为主，主动控制为辅的主从结合方式，存在以下两种典型的混合控制方案：(1)被动控制作为结构对常遇荷载作用的保护装置，主动控制系统作为结构抵抗罕遇地震作用的元件，是结构破坏的最后一道防线。(2)被动控制作为控制系统的

24、主体，主动控制对被动控制系统减小限位控制，并提供被动控制系统所需要的恢复力。目前研究较多的混合控制装置有：AMD与TMD的混合控制；阻尼耗能与主动控制的结合；隔震与AMD的混合控制；其他如液压一质量振动控制系统(HMS)与主动AMD相结合，锚索系统与镇定锚索系统等。 我国在混合控制方面进行了有特色的研究，提出的混合控制系统有AMD和TLD组合的混合控制系统、AMD和HDS组成的混合控制系统等，并对混合控制系统的性能及对结构的抗风抗震进行了大量的试验研究。 结构振动控制的核心装备是振动控制装置。随所选用的振动控制装置不同，其控制效果及设计分析方法也不同。国内外专家已进行了多年的理论和实验研究，提

25、出不少很好的方法和措施。 在这四种控制技术中，主动控制的效果最好，但由于建筑结构体形巨大导致所需的外加能源较大，加之控制装置的控制的算法比较复杂，而且存在时滞问题，因此其应用程度少于其他三种控制技术；被动控制造价低廉，减震效果良好，容易实现，目前发展最快，应用最广，在最新出台的建筑抗震规范中已有少量描述，尤其是其中的基础隔震技术已相当成熟，并得到了一定程度的推广应用，但被动控制对地震激励的普适性差，即按照某一地震激励设计的控制结构在其他地震激励下的减震效果未必很好；半主动控制介于主动控制之间，其控制精确度较高，造价较主动控制低廉，而且不需要较大的动力源，因此其具有广阔的应用和发展前景；混合控制

26、综合了某几种控制方法的优点，因此其具有较好的控制效果，发展前景较为广阔。三、结构振动控制的应用现状与发展前景结构振动控制的工程应用在过去的多年中有了较大的发展，国际上，美国、日木、澳大利亚、新酉兰和法国等国家在这方而走在前列。经过20多年的发展，结构控制现在正朝着研制高效的被动控制装置、发展以参数控制为主的半主动控制和探索结构智能控制的方向发展，结构控制的概念几经完善。在理论方面，他们成功地借鉴了其他领域中的控制理论，为结构控制找到了可行的分析和计算方法。在实际工程应用中也设计出一些有效的控制装置，尤其是被动控制系统(如基底隔震系统)在一些高层建筑中得到了具体的应用。相比之下，我国的结构控制更多地仍处在理论研究上，国内学者自20世纪80年代初期以来，对夹层橡胶垫隔震结构、粘弹性阻尼器TMD和TLD耗能支撑层间隔震、主动控制等方面的进行了研究，虽然取得了一系列国内外瞩日的研究成果，但实际工程应用极其有限，已安装在建筑物上的控制装置也主要是隔震装置。 结构振动控制理论与减震技术为建筑物的抗震提供了一条有效可行的新途径。结构振动控制理论将