1概述

目前，對于地震還不能做出準(zhǔn)確的預(yù)報，所以地震常常具有突發(fā)性和隨機(jī)性的特征而給人們的生活帶來極大的破壞作用，所產(chǎn)生的后果極其嚴(yán)重。所以在土木工程建設(shè)施工過程中進(jìn)行抗震設(shè)計是必不可少的一項工作，也是降低地震損失的有效措施。在過去進(jìn)行結(jié)構(gòu)減震設(shè)計時主要是依靠增加結(jié)構(gòu)它自身的強(qiáng)度以及變形能力來增強(qiáng)抗震能力。舉例來說，可以通過選擇合適的塑性鉸的位置以及仔細(xì)設(shè)計構(gòu)件的細(xì)部構(gòu)造來保證結(jié)構(gòu)的整體性以及制止倒塌的發(fā)生。然而這種方法不可避免的會對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生極大的損傷。因此，在現(xiàn)代的土木工程當(dāng)中，減震控制方法主要是使用隔震、耗能、施加外力以及調(diào)整結(jié)構(gòu)動力特性這些方法來消減結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，進(jìn)而可以保證結(jié)構(gòu)其本身的安全。

2現(xiàn)代土木工程中結(jié)構(gòu)減震控制的主要方法

2.1被動控制方法。

所謂的被動控制方法，就是不需提供外部能量，而是通過減震以及隔震裝置來使得振動能量消耗，并且阻止振動在結(jié)構(gòu)之中的傳播。這種方法因其具有構(gòu)造簡單、造價低、易于維護(hù)以及不需要外界能源支持等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。被動控制主要是進(jìn)行基礎(chǔ)隔震和耗能減震�；�礎(chǔ)隔震就是在上部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)之間設(shè)置水平柔性層，從而使結(jié)構(gòu)側(cè)向振動的基本周期延長，進(jìn)而減小水平地震地面運動對上部結(jié)構(gòu)的作用。基礎(chǔ)隔震的研究核心是研究開發(fā)出性能卓越并且價格低廉的隔震裝置。早在20世紀(jì)70年代末就提出了疊層橡膠支座隔震的方法，自此技術(shù)之后，開啟了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震發(fā)展的黃金時期。在之后的發(fā)展過程中，先后開發(fā)出一批應(yīng)用廣泛的隔震裝置，比如夾層橡膠墊隔震裝置、鉛塞滯變阻尼器隔震裝置、粉粒墊層隔震裝置、基底滑移隔震裝置、鋼滯變阻尼器隔震裝置、懸掛基礎(chǔ)隔震裝置以及混合隔震裝置等等。在現(xiàn)階段，基礎(chǔ)隔震的使用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，隔震結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計方法也日益成熟。從世界范圍來看，已經(jīng)有成千上萬座隔震建筑以及橋梁建設(shè)完工，這些工程在實際的地震經(jīng)歷當(dāng)中，都表現(xiàn)出了良好的減震效果。耗能減震則是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能元件，其減震原理是這樣的：在結(jié)構(gòu)振動的作用之前，耗能元件可以被動地往復(fù)相對變形或者在耗能元件之間產(chǎn)生往復(fù)運動的相對速度，通過這個方式能夠消散結(jié)構(gòu)振動的能量，進(jìn)而減輕結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)。目前，已經(jīng)研究發(fā)展起來的耗能裝置通常有金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器、粘滯阻尼器、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器以及復(fù)合型耗能器等等。結(jié)構(gòu)耗能減震從某種程度上來說，是能夠經(jīng)得住地震的考驗的。我國現(xiàn)在就有幾十余座新建或者加固的被動耗能減震建筑，例如上海的明珠電視塔和珠海的金山大廈都是采用耗能減震技術(shù)的典范。

2.2主動控制方法。

與被動控制相對應(yīng)的就是主動控制，這種控制方法的理論基礎(chǔ)是現(xiàn)代控制理論，在這種理論的指導(dǎo)下對結(jié)構(gòu)反應(yīng)或者環(huán)境干擾進(jìn)行實時跟蹤和預(yù)測，并且在精確的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)之上使用和決策的最優(yōu)控制力。這種控制方法通過作動器來對結(jié)構(gòu)施加控制力，從而減小將會有效的抑制結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)。主動控制的類型有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。對主動控制的研究主要包括兩個方面，一是主動控制算法的運用處理，二是主動控制裝置的開發(fā)與應(yīng)用。結(jié)構(gòu)主動控制算法依然是使用現(xiàn)代控制理論之中的算法作為依據(jù)，然后根據(jù)土木工程結(jié)構(gòu)自身的特點而做出一些特殊的處理。目前，廣泛使用的主動控制算法有：經(jīng)典線性主要有最優(yōu)控制法、瞬時最優(yōu)控制法、隨機(jī)最優(yōu)控制法、極點配置法、預(yù)測控制法、滑動模態(tài)控制法、模糊控制法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法。結(jié)構(gòu)主動控制的研究主要涉及到控制理論、隨機(jī)振動、結(jié)構(gòu)工程、材料科學(xué)、機(jī)械工程、計算機(jī)科學(xué)、振動測量、數(shù)據(jù)處理以及自動控制技術(shù)等等，具備一定的綜合性。當(dāng)前，它的研究主要是使用理論分析以及數(shù)據(jù)模擬分析作為主要方法。雖然主動控制的研究取得了一定的成就，但是主動控制技術(shù)并不完全成熟。從現(xiàn)有研究來看，主動控制技術(shù)在可行性上還存在一定的限制因素。主要集中表現(xiàn)在四個方面：1）主動控制系統(tǒng)在地震之中運作的問題。日本是一個地震多發(fā)的國家，在抵御地震侵襲的同時也積累了很多獨到的經(jīng)驗。他們發(fā)現(xiàn)在地震之時，很大一部分主動控制系統(tǒng)因為故障而不能正常運作；2）時滯方面的問題。主動控制系統(tǒng)在工作的時候，因為在信號處理、運算、電液伺服等動作都需要相應(yīng)的時間，因此產(chǎn)生了時間滯后這個不可避免的問題。目前提出了使用通過補(bǔ)償?shù)姆椒▉硎箷r滯得到有效的改正；3）能量問題。主動控制系統(tǒng)的運作主要是依靠外部能源的輸入，而在地震之中確保能源的相對可靠成為值得思考的關(guān)鍵問題；4）設(shè)備維護(hù)的問題。通常生命線工程的大跨度橋梁的使用壽命是幾十年，有的甚至要達(dá)到上百年，與此同時，主動控制系統(tǒng)也要在這段時間之內(nèi)保持功能的完備。如何確保系統(tǒng)的完善，尤其是作為核心構(gòu)件的計算機(jī)，其使用性能的保障工作成為亟待解決的問題之一。

2.3半主動控制方法。

介于被動控制和主動控制之間，還存在半主動控制方法，這種方法主要是使用少量外部能量或者是不需要外部能量，還可以通過對控制系統(tǒng)之中結(jié)構(gòu)參數(shù)的實時調(diào)整來控制結(jié)構(gòu)動力的反應(yīng)。半主動控制方法既有被動控制系統(tǒng)的可靠性，同時又具備主動控制系統(tǒng)的超強(qiáng)適應(yīng)性，而且造價比較合適，因此在未來的使用上具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展前途。半主動控制主要包括兩種類型：主動變剛度控制系統(tǒng)和主動變阻尼控制系統(tǒng)。主動變剛度系統(tǒng)主要是通過主動變剛度控制裝置來使得受控結(jié)構(gòu)的剛度在每一個采樣周期之內(nèi)依據(jù)外荷載的頻譜特性而在不同的剛度值之間進(jìn)行切換，這樣則可以使得受控結(jié)構(gòu)在每一采樣周期之內(nèi)都可以遠(yuǎn)離共振狀態(tài)，實現(xiàn)減振的目的。上世紀(jì)末日本就通過實踐證明了半主動控制在中小地震中的突出作用，這種控制顯示出了較好的控制效果。主動變阻尼控制系統(tǒng)則是通過控制裝置來使受控結(jié)構(gòu)的阻尼可以在每一采樣周期之內(nèi)獲得不同的阻尼狀態(tài)之間來進(jìn)行切換，從而達(dá)到減震的目的。不難看出，半主動控制方法結(jié)合了被動控制結(jié)構(gòu)以及主動控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，可以依據(jù)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)同外界的干擾狀態(tài)來控制結(jié)構(gòu)。這種控制需要由電池提供的能量來操作控制設(shè)施，這樣就能夠有效避免主動控制在大地震來臨之時無法辦得到能量支持的劣勢。半自動控制需要的控制設(shè)施既經(jīng)濟(jì)又可靠，同時對于維護(hù)的要求也不高，綜合以上有點，半主動控制成為當(dāng)前世界范圍之內(nèi)廣泛被業(yè)界所接受的土木工程結(jié)構(gòu)減震的控制方法。綜上所述，現(xiàn)代土木工程中結(jié)構(gòu)的減震控制作為一個交叉的學(xué)科，仍然還有很多問題值得研究和規(guī)范。雖然減震控制技術(shù)在當(dāng)前的土木工程之中并沒有得到較廣泛的應(yīng)用，但是因為其在土木工程應(yīng)用中具備的明顯優(yōu)勢，在未來的建筑中一定會得到廣泛的接納和發(fā)展，減震控制技術(shù)必將日趨成熟。