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土木工程结构减震控制技术探析

2019-09-24 08:49 来源:土木工程论文 人参与在线咨询

摘要:文章对结构减震控制技术的内涵特征和方法进行了详细的介绍,并在充分说明土木工程中结构减震控制技术使用情况的基础上,提出了结构减震控制技术发展的建议,以期使人们对该技术有更好的理解。

关键词:土木工程;结构减震控制技术;应用

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结构减震控制的概念及分类

准确来讲,姚治平是土木工程结构控制概念的创始人,他在1972年写了一篇论文,题目就是“结构控制的概念”,在随后的日子里,他的很多文章也阐述了结构减震控制技术的概念。在姚治平看来,结构减震控制技术使工程安全的维护有了新的一条路。自此,结构减震控制技术清晰了起来。到目前为止,国内外的学者和实践者花了二三十年的时间去研究和实践结构控制的理论、方法,做了许多的实验和工程应用,并取得了大量实打实的研究成果。根据结构减震控制的概念和定义,结构减震控制技术的作用是利用控制机构在结构中的设立,分担外力带给建筑结构的振动影响,使结构的振动反应更小,做到外界干扰很大的状况下,结构的各项反应值都不超过标准。半主动控制、主动控制和被动控制是结构减震控制中的几大分类,该分类以是否要利用外部能源输入为标准。控制力的产生不依靠能源的输入,在进行控制时,不对外界干扰信息和结构反应有过度需求,这种就属于被动控制方法。基础隔震和耗能隔震是被动控制方法的主要内容。隔震技术主要通过改变结构频率实现结构减震,成为结构减震控制技术中研究最深入、应用范围最广和最成熟的部分,在全世界范围内,有很多的隔震建筑已经建成并投入使用,桥梁和地铁工程中也能频频看到隔震技术的身影。

2土木工程中结构减震控制技术的应用

2.1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。

2.2主动控制在土木工程中的应用

土木工程中要是出现了主动控制的身影,无外乎是闭环控制系统或开环控制的应用。在闭环变刚度控制控制系统中,主动控制需要在有结构反应监测的前提下,才能起作用。这种闭环控制对外界干扰的抵抗能力强,且即使在系统元件精度不高的情况下,也有很明显的控制效果,在土木工程中的应用更广泛。在开环控制系统中,监测环境干扰的工作是利用直接结构进行,在检测数据的基础上获取和分析控制率。不过,虽然主动控制在土木工程中的研究和应用有了一些成果,但是该技术还存在很多不足和进步的空间。

2.3被动控制在土木工程中的应用

要如何判断土木工程中是否利用了被动控制技术?主要是看工程中有没有基础隔震体系、协调减震协调和耗能减震体系的身影。在基础隔震体系中,在上部结构与基础中间安装谨慎选择的隔震消设备,来削弱往上部传送的地震能量,从而减低上部结构的振动。这种在中部拦截的基础隔震体系,对降低结构自振频率有很明显的效果,是短周期的刚性结构和中低层建筑的最佳选择。因为在高频地震波出现时才能起作用,所以该体系对高层建筑作用不大。协调液体阻尼器、液压质量振动控制系统和调谐质量阻尼器是协调减震系统最重要的几个组成部分。比如调谐质量阻尼器,分类上算是小的振动系统,由弹簧、质量块和阻尼器构成。其工作原理:首先,结构体系中的指定部位装入调谐质量阻尼器,用于改变结构的动力性能,如果外界的动力冲击到结构,结构开始出现距离振动,那么,调谐质量阻尼器质量块将产生惯性作用,从而反作用于原结构,达到减震的目的。

3结束语

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。

参考文献:

[1]石桂菊.围护墙多功能减震结构的减震控制研究[D].石河子:石河子大学,2011.

[2]黄瑞娟.三边支承网架结构的减震控制研究[D].保定:河北农业大学,2012.

[3]颜桂云,张建勋,叶建峰.土木工程结构减震控制技术的研究动态[J].福建工程学院学报,2009,7(1):1-8+15.

[4]李顺群,张业民,王英红,等.土木工程结构中隔震技术的发展[J].辽宁工学院学报,2001,21(5):64-66.

作者:潘宁 单位:中国建筑第八工程局有限公司上海分公司

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