蔡准 CAI Zhun
（西安思源學院，西安 710038）
摘要： 隨著信息技術的不斷發展，傳感技術、信號採集與處理技術隨著應用領域的拓寬得到了充分的發展空間，土木工程結構的振動控制技術研究經過多年研究已取得了一些成就，相應的技術也在實際工程中廣泛應用，但是應用過程還存在著許多的問題與不足，本文簡要分析了振動控制技術並對其前景進行展望。
關鍵詞 ： 土木工程；結構振動；控制技術
中圖分類號：TU311.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）23-0103-03
作者簡介：蔡准（1987-），男，陝西西安人，助教，工學碩士，研究方向為土木工程、結構工程。
0 引言
土木工程伴隨著人類社會的發展而發展。隨著科學技術的不斷進步，人類在抵抗各種自然災害的問題上也取得了一定的進步。然而在偉大的自然面前，人類仍舊渺小。我們需要更加先進的技術和更加完備的設施來抵抗災害的侵襲。傳統的防震技術的作用效果和安全性能十分有限，如果地震發生，結構無法支持，很有可能破壞嚴重，甚至帶來極為嚴重的生命財產損失。因此，土木工程結構振動控制技術的研究發展十分重要。
1 土木工程結構的減振工作原理
對於消耗能量的減振結構而言，具體是指土木工程結構的抗側力裝置，在該裝置內部安裝有效能量消耗零部件，進而實現減振目的。如果土木工程結構遭遇地震並受到能量侵蝕，能量消耗零部件及其裝置會產生彈塑性，滯回變形，以此來吸收和消耗因地震所帶來的能量，並減小對土木工程結構主體結構的影響程度，進而實現減振和震動控制的目的。由此可知，減振工作原理與傳統正好相反，這也是技術領域中的突破性成就。其主要的工程結構振動控制原理如圖1所示。
2 結構振動控制技術的研究現狀
2.1 被動控制
被動控制是通過改變建築結構自身一些構件的構造和結構體系的動力學特徵，或者在結構的某個部位附加一個子系統，來實現減振的目的一種不需要外部能源的結構控制技術。由於其結構簡單、造價低廉、易於維護且無需外部能源支持，目前已成為建築與結構設計的熱點，許多實際工程中也已經廣泛應用。被動技術主要包括基礎隔振技術和耗能吸能減振技術。
基礎隔振是在結構的上部與基部之間設置一種隔振消能裝置的控制技術，是被動控制的一種，它主要通過減小地震時向地表傳輸的能量，來減小結構的振動。基礎隔振能明顯降低結構的自身振動頻率，非常適用於中低層建築，但由於隔振只對高頻率的地震波有效用，所以對高層建築並不適用。
吸能減振是通過附加子結構，使結構的振動位移，能量重新分配，從而減小結構振動。耗能減振是在結構體的某些部位，如節點和支撐部等設置耗能阻尼機構。繼而通過這種機構對結構施加控制力，快速減小結構振動。耗能減振和吸能減振的裝置主要有摩擦阻尼器、粘性液體阻器、調諧質量阻尼器、金屬屈服阻尼器、質量泵和液壓質量控制系統等。
2.2 主動控制
主動控制是一種需要外部能量供給的控制技術。是否具有能量耗損和完整的反饋控制迴路是其與被動控制技術的主要區別。儘管主動控制技術更為複雜、造價昂貴並且難以維護，但對於高層建築建築而言，主動控制具有更好的防震效果。主動控制應用了現代尖端的結構控制技術，對結構振動情況實施實時追蹤和預測，令結構設計與系統性能達到最佳。主動控制技術分為控制力型和半主動控制型兩種。
結構主動控制是利用外部能源在結構振動時對結構施加一個較強的控制力，此時通過傳感器將監測得到的信息導入計算機內，由計算機根據設定好的計算公式算出應施加的力的具體信息，最後，由外部能源提供能量，施加給結構其所需控制力，進而快速起到減小結構振動的效果。由於主動控制的實時控制力完全自主可控，因此其對比於被動控制，防振效果十分明顯。控制力型的主動控制裝置主要有主動拉索系統、主動支撐系統、主動質量阻尼系統和主動空氣動力擋風板系統等。
半主動控制屬於參數控制，其作用機理和優缺點均介於被動控制和控制力型之間。半主動控制過程依賴於結構的反應情況和外部的激勵信息，通過用小功率能源調整結構的動力參數來減少結構的振動，與控制力型相比，半主動控制具有所需外部能量較小、維護要求不太高、更為經濟等優勢，而且作用效果又與前者很接近，因此半主動控制具有較大的研究和應用開發價值。磁流變液態阻尼器和電流變液態阻尼器是半主動控制系統未來研究發展的方向。
2.3 混合控制
混合控制是相對於被動控制和主動控制而言的研究新突破。它將被動控制和主動控制有機結合到同一建築工程中，使二者協調起來共同工作。將二者結合起來看似簡單，實則需要無數次的嘗試與磨合。此系統充分融合了被動控制系統與主動控制系統的優點，既可以通過被動控制系統卸掉震動能，又可以利用主動控制系統來增強控制效果，因此有很好的建築工程應用價值。目前混合控制所用的控制裝置已有許多種類，其迅猛發展的勢頭銳不可當。
2.4 結構控制研究中的待解決問題
經過多年以來的刻苦研究和辛勤實踐，結構的抗震、減振設計研究取得了飛躍性的成就，也受到了更多各領域科研工作者們的關注與重視。然而科學研究不能一蹴而就，科技發展也並非是朝夕之事。在看似成果斐然的土木工程結構振動控制領域取得的成就背後，仍有許多技術不成熟之處，這些問題猶待解決。如從控制器設計角度的建模工程與模型的簡化；如何降低能耗和造價，使工程簡便且不失可靠性和安全性；綜合考量各項外界因素，增強控制的持久力和安全性；完善抗震防護體系作用力的具體計算方式；與其他學科的新技術和新成果有機結合，促進土木工程結構振動控制技術向智能化發展。結構控制技術是一項複雜嚴密且與人民生命財產安全息息相關的細緻研究，因此相關科研技術人員和機構要做好研究工作。
3 振動控制技術簡析
3.1 隔震的相關地基的建築材料
在土木工程建設的過程中，地基材料所使用的材質不一樣，因此，在地震過程中的地震波的反應也不盡相同。因此，在土木工程建設的過程總，要使用特殊的材料對其地基進行相應的處理，這樣才能減少震波的反應，進而減少相關的建築物在地震過程中的震感。相對於傳統的土木工程來說，其地基經常使用粘土以及砂子進行相應的墊層施工，隨後，也有相關的建設工作人員使用糯米進行墊層來對抗震進行相應的研究。經過大量的研究之後，各種實驗數據分析得出以瀝青為其原料的材料進行相應土木工程隔震設置的效果非常好。
3.2 基礎隔震
隔震的相關結構。在減少地震波的時候，其主要的部分就是建築的最基礎的部分，從土木工程最基礎的部分設置相應的隔震，阻止其震波由底層傳至建築的上部分結構，這樣在相應的程度上能夠減少地震對整個土木工程結構的傷害，甚至消除其對工程的結構威脅。在土木工程建設的過程中，將其基礎以及上部的結構設置相應的隔震部分，對於整個工程來說，在其投入使用的過程中，在底層使用隔震的裝置效果相對較好，出現這一現象的原因在於高層建築結構設置隔震裝置過程會延長建築結構的自振周期，從而出現隔震效果弱化的現象。現階段關於基礎隔震的進步與發展日益趨於多樣化與完善。
3.3 耗能減震
耗能減震具體是在建築結構的空間，層間等部位裝設消能裝置，如果地震等級較低，建築結構自身會協同各個部位的消能裝置，維持建築結構的彈性狀態規避地震的影響，減小地震的危害程度。如果地震的等級較高，增加建築結構自身的形變程度，並協同消防裝置內部的大阻尼，有效吸收和消耗地震能量，並將其轉換成熱能的形式傳輸至外界，這能夠顯著降低地震對建築結構的影響，維持建築結構的彈性形態，此種技術主要具有以下特點：
安全性和可靠性較高，藉助耗能裝置有效吸收和消耗地震能量，進而保護建築物的主體結構；經濟且環保。這主要是因為此裝置中採用了柔性性能，可縮減剪力牆數量和配筋斷面；應用範圍廣泛，此種裝置可應用在工廠、辦公大樓中；維護經費較低。如果裝設耗能減振裝置，需要定期維護，進而保障其正常運行。該裝置和其餘減振裝置相比，維護經費相對較低。
例如在我國某市地區內的一個重點建築，其主樓高57.8m，地上13層（兩側的塔樓為16層），地下一層，建築面積為1418815平方米，採用中央空調系統。該建築採用鋼筋混凝土筒體-框架結構，抗震設防烈度為9度，結構安全等級為二級，抗震設防分類標準為二級。原結構採用筒壁厚450mm，底層框架柱截面為800mm*800mm，框架梁高800mm。抗震計算表明，原結構在多遇、罕遇水平地震作用下都不能滿足要求，且梁、柱的配筋率很高，施工困難。
經技術經濟比較，決定採用粘彈性阻尼器的耗能職稱，結構的自振基本頻率由原來的1.1Hz提高到1.16Hz，即結構的抗側剛度比原來的稍小。
3.4 懸掛隔震
懸掛隔震的原理是阻止地面的地震波傳遞至建築主體結構，防止主體結構受到損壞。可見懸掛隔震裝置結構很大部分的質量甚至是全部質量均懸掛在地面上，地震到來時，建築結構上層的分離導致無慣性力產生，從而達到顯著隔震的目的。懸掛隔震技術適用範圍沒有其他技術的應用範圍廣泛，鋼結構，大型鋼結構是其主要的使用結構，又分為主框架和子結構兩部分，懸掛子結構，主框架結構便與子結構分離。當地震波到達懸掛部位時，地震能量大大減少，有效控制了地震的傳遞，減少建築在地震中的損害。
3.5 混合控制
混合控制，可以將其簡單地理解為主動控制和被動控制的融合，這種控制技術具有設計繁瑣的特點，這種振動控制技術被廣泛地應用在日本建築結構設計中。在具體的設計過程中，應多次深入調查建築物所處地區的地震情況並全面勘查地質條件，掌握各種信息，優化調整控制系統，進而實現防震抗震的目的。這種控制技術有效融合了主動控制和被動控制中的優點，然而其工程造價較高，在我國很少應用。
4 振動控制技術的展望
在近十幾年的時間裡，經過諸多專家學者們長期不懈的艱苦努力，土木工程結構振動控制技術得到了全面迅猛的發展，呈現出一派生機勃勃的發展勢頭，在今後一段時期內，結構控制技術的發展趨勢將是被動控制技術規範化與實用化和加強對半主動控制和混合控制技術的實驗研究以及試點工程的研究。儘管在我國目前的土木建築工程領域中，結構控制技術基本上還僅僅應用於高層建築結構設計之中，但隨著我國高層建築特別是超高層建築的飛速發展，必將給結構振動控制技術帶來更為廣闊的發展空間。因此，由於土木工程結構振動控制技術自身所具有極為明顯的優勢，其未來擁有良好的應用前景是毋須置疑。
5 結語
土木工程結構振動控制的研究與應用有著十分廣闊的廣泛的發展與應用前景，它的研究和發展將會給土木工程結構領域的抗震、抗風等抵抗不可抗力災害的建築設計帶來一場前所未有的歷史性革命。近年來土木工程結構振動控制技術的研究與應用已取得了長足的發展與進步。由此看來，在對抗地震、強風等自然災害的問題上，土木工程結構控制起著至關重要的作用。因此，我們對土木工程結構振動控制技術未來的成就十分期待。
參考文獻：
[1]邱敏，張學文，陸中玏，楊世浩.土木工程結構振動控制的研究現狀與展望[J].安全與環境工程，2013，03：14-18.
[2]邢冠群.土木工程結構振動控制的研究現狀與展望[J].科技展望，2014，15：38.
[3]陳玉妹.關於土木工程結構振動控制技術的探討[J].門窗，2014，11：140.
（西安思源學院，西安 710038）
摘要： 隨著信息技術的不斷發展，傳感技術、信號採集與處理技術隨著應用領域的拓寬得到了充分的發展空間，土木工程結構的振動控制技術研究經過多年研究已取得了一些成就，相應的技術也在實際工程中廣泛應用，但是應用過程還存在著許多的問題與不足，本文簡要分析了振動控制技術並對其前景進行展望。
關鍵詞 ： 土木工程；結構振動；控制技術
中圖分類號：TU311.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）23-0103-03
作者簡介：蔡准（1987-），男，陝西西安人，助教，工學碩士，研究方向為土木工程、結構工程。
0 引言
土木工程伴隨著人類社會的發展而發展。隨著科學技術的不斷進步，人類在抵抗各種自然災害的問題上也取得了一定的進步。然而在偉大的自然面前，人類仍舊渺小。我們需要更加先進的技術和更加完備的設施來抵抗災害的侵襲。傳統的防震技術的作用效果和安全性能十分有限，如果地震發生，結構無法支持，很有可能破壞嚴重，甚至帶來極為嚴重的生命財產損失。因此，土木工程結構振動控制技術的研究發展十分重要。
1 土木工程結構的減振工作原理
對於消耗能量的減振結構而言，具體是指土木工程結構的抗側力裝置，在該裝置內部安裝有效能量消耗零部件，進而實現減振目的。如果土木工程結構遭遇地震並受到能量侵蝕，能量消耗零部件及其裝置會產生彈塑性，滯回變形，以此來吸收和消耗因地震所帶來的能量，並減小對土木工程結構主體結構的影響程度，進而實現減振和震動控制的目的。由此可知，減振工作原理與傳統正好相反，這也是技術領域中的突破性成就。其主要的工程結構振動控制原理如圖1所示。
2 結構振動控制技術的研究現狀
2.1 被動控制
被動控制是通過改變建築結構自身一些構件的構造和結構體系的動力學特徵，或者在結構的某個部位附加一個子系統，來實現減振的目的一種不需要外部能源的結構控制技術。由於其結構簡單、造價低廉、易於維護且無需外部能源支持，目前已成為建築與結構設計的熱點，許多實際工程中也已經廣泛應用。被動技術主要包括基礎隔振技術和耗能吸能減振技術。
基礎隔振是在結構的上部與基部之間設置一種隔振消能裝置的控制技術，是被動控制的一種，它主要通過減小地震時向地表傳輸的能量，來減小結構的振動。基礎隔振能明顯降低結構的自身振動頻率，非常適用於中低層建築，但由於隔振只對高頻率的地震波有效用，所以對高層建築並不適用。
吸能減振是通過附加子結構，使結構的振動位移，能量重新分配，從而減小結構振動。耗能減振是在結構體的某些部位，如節點和支撐部等設置耗能阻尼機構。繼而通過這種機構對結構施加控制力，快速減小結構振動。耗能減振和吸能減振的裝置主要有摩擦阻尼器、粘性液體阻器、調諧質量阻尼器、金屬屈服阻尼器、質量泵和液壓質量控制系統等。
2.2 主動控制
主動控制是一種需要外部能量供給的控制技術。是否具有能量耗損和完整的反饋控制迴路是其與被動控制技術的主要區別。儘管主動控制技術更為複雜、造價昂貴並且難以維護，但對於高層建築建築而言，主動控制具有更好的防震效果。主動控制應用了現代尖端的結構控制技術，對結構振動情況實施實時追蹤和預測，令結構設計與系統性能達到最佳。主動控制技術分為控制力型和半主動控制型兩種。
結構主動控制是利用外部能源在結構振動時對結構施加一個較強的控制力，此時通過傳感器將監測得到的信息導入計算機內，由計算機根據設定好的計算公式算出應施加的力的具體信息，最後，由外部能源提供能量，施加給結構其所需控制力，進而快速起到減小結構振動的效果。由於主動控制的實時控制力完全自主可控，因此其對比於被動控制，防振效果十分明顯。控制力型的主動控制裝置主要有主動拉索系統、主動支撐系統、主動質量阻尼系統和主動空氣動力擋風板系統等。
半主動控制屬於參數控制，其作用機理和優缺點均介於被動控制和控制力型之間。半主動控制過程依賴於結構的反應情況和外部的激勵信息，通過用小功率能源調整結構的動力參數來減少結構的振動，與控制力型相比，半主動控制具有所需外部能量較小、維護要求不太高、更為經濟等優勢，而且作用效果又與前者很接近，因此半主動控制具有較大的研究和應用開發價值。磁流變液態阻尼器和電流變液態阻尼器是半主動控制系統未來研究發展的方向。
2.3 混合控制
混合控制是相對於被動控制和主動控制而言的研究新突破。它將被動控制和主動控制有機結合到同一建築工程中，使二者協調起來共同工作。將二者結合起來看似簡單，實則需要無數次的嘗試與磨合。此系統充分融合了被動控制系統與主動控制系統的優點，既可以通過被動控制系統卸掉震動能，又可以利用主動控制系統來增強控制效果，因此有很好的建築工程應用價值。目前混合控制所用的控制裝置已有許多種類，其迅猛發展的勢頭銳不可當。
2.4 結構控制研究中的待解決問題
經過多年以來的刻苦研究和辛勤實踐，結構的抗震、減振設計研究取得了飛躍性的成就，也受到了更多各領域科研工作者們的關注與重視。然而科學研究不能一蹴而就，科技發展也並非是朝夕之事。在看似成果斐然的土木工程結構振動控制領域取得的成就背後，仍有許多技術不成熟之處，這些問題猶待解決。如從控制器設計角度的建模工程與模型的簡化；如何降低能耗和造價，使工程簡便且不失可靠性和安全性；綜合考量各項外界因素，增強控制的持久力和安全性；完善抗震防護體系作用力的具體計算方式；與其他學科的新技術和新成果有機結合，促進土木工程結構振動控制技術向智能化發展。結構控制技術是一項複雜嚴密且與人民生命財產安全息息相關的細緻研究，因此相關科研技術人員和機構要做好研究工作。
3 振動控制技術簡析
3.1 隔震的相關地基的建築材料
在土木工程建設的過程中，地基材料所使用的材質不一樣，因此，在地震過程中的地震波的反應也不盡相同。因此，在土木工程建設的過程總，要使用特殊的材料對其地基進行相應的處理，這樣才能減少震波的反應，進而減少相關的建築物在地震過程中的震感。相對於傳統的土木工程來說，其地基經常使用粘土以及砂子進行相應的墊層施工，隨後，也有相關的建設工作人員使用糯米進行墊層來對抗震進行相應的研究。經過大量的研究之後，各種實驗數據分析得出以瀝青為其原料的材料進行相應土木工程隔震設置的效果非常好。
3.2 基礎隔震
隔震的相關結構。在減少地震波的時候，其主要的部分就是建築的最基礎的部分，從土木工程最基礎的部分設置相應的隔震，阻止其震波由底層傳至建築的上部分結構，這樣在相應的程度上能夠減少地震對整個土木工程結構的傷害，甚至消除其對工程的結構威脅。在土木工程建設的過程中，將其基礎以及上部的結構設置相應的隔震部分，對於整個工程來說，在其投入使用的過程中，在底層使用隔震的裝置效果相對較好，出現這一現象的原因在於高層建築結構設置隔震裝置過程會延長建築結構的自振周期，從而出現隔震效果弱化的現象。現階段關於基礎隔震的進步與發展日益趨於多樣化與完善。
3.3 耗能減震
耗能減震具體是在建築結構的空間，層間等部位裝設消能裝置，如果地震等級較低，建築結構自身會協同各個部位的消能裝置，維持建築結構的彈性狀態規避地震的影響，減小地震的危害程度。如果地震的等級較高，增加建築結構自身的形變程度，並協同消防裝置內部的大阻尼，有效吸收和消耗地震能量，並將其轉換成熱能的形式傳輸至外界，這能夠顯著降低地震對建築結構的影響，維持建築結構的彈性形態，此種技術主要具有以下特點：
安全性和可靠性較高，藉助耗能裝置有效吸收和消耗地震能量，進而保護建築物的主體結構；經濟且環保。這主要是因為此裝置中採用了柔性性能，可縮減剪力牆數量和配筋斷面；應用範圍廣泛，此種裝置可應用在工廠、辦公大樓中；維護經費較低。如果裝設耗能減振裝置，需要定期維護，進而保障其正常運行。該裝置和其餘減振裝置相比，維護經費相對較低。
例如在我國某市地區內的一個重點建築，其主樓高57.8m，地上13層（兩側的塔樓為16層），地下一層，建築面積為1418815平方米，採用中央空調系統。該建築採用鋼筋混凝土筒體-框架結構，抗震設防烈度為9度，結構安全等級為二級，抗震設防分類標準為二級。原結構採用筒壁厚450mm，底層框架柱截面為800mm*800mm，框架梁高800mm。抗震計算表明，原結構在多遇、罕遇水平地震作用下都不能滿足要求，且梁、柱的配筋率很高，施工困難。
經技術經濟比較，決定採用粘彈性阻尼器的耗能職稱，結構的自振基本頻率由原來的1.1Hz提高到1.16Hz，即結構的抗側剛度比原來的稍小。
3.4 懸掛隔震
懸掛隔震的原理是阻止地面的地震波傳遞至建築主體結構，防止主體結構受到損壞。可見懸掛隔震裝置結構很大部分的質量甚至是全部質量均懸掛在地面上，地震到來時，建築結構上層的分離導致無慣性力產生，從而達到顯著隔震的目的。懸掛隔震技術適用範圍沒有其他技術的應用範圍廣泛，鋼結構，大型鋼結構是其主要的使用結構，又分為主框架和子結構兩部分，懸掛子結構，主框架結構便與子結構分離。當地震波到達懸掛部位時，地震能量大大減少，有效控制了地震的傳遞，減少建築在地震中的損害。
3.5 混合控制
混合控制，可以將其簡單地理解為主動控制和被動控制的融合，這種控制技術具有設計繁瑣的特點，這種振動控制技術被廣泛地應用在日本建築結構設計中。在具體的設計過程中，應多次深入調查建築物所處地區的地震情況並全面勘查地質條件，掌握各種信息，優化調整控制系統，進而實現防震抗震的目的。這種控制技術有效融合了主動控制和被動控制中的優點，然而其工程造價較高，在我國很少應用。
4 振動控制技術的展望
在近十幾年的時間裡，經過諸多專家學者們長期不懈的艱苦努力，土木工程結構振動控制技術得到了全面迅猛的發展，呈現出一派生機勃勃的發展勢頭，在今後一段時期內，結構控制技術的發展趨勢將是被動控制技術規範化與實用化和加強對半主動控制和混合控制技術的實驗研究以及試點工程的研究。儘管在我國目前的土木建築工程領域中，結構控制技術基本上還僅僅應用於高層建築結構設計之中，但隨著我國高層建築特別是超高層建築的飛速發展，必將給結構振動控制技術帶來更為廣闊的發展空間。因此，由於土木工程結構振動控制技術自身所具有極為明顯的優勢，其未來擁有良好的應用前景是毋須置疑。
5 結語
土木工程結構振動控制的研究與應用有著十分廣闊的廣泛的發展與應用前景，它的研究和發展將會給土木工程結構領域的抗震、抗風等抵抗不可抗力災害的建築設計帶來一場前所未有的歷史性革命。近年來土木工程結構振動控制技術的研究與應用已取得了長足的發展與進步。由此看來，在對抗地震、強風等自然災害的問題上，土木工程結構控制起著至關重要的作用。因此，我們對土木工程結構振動控制技術未來的成就十分期待。
參考文獻：
[1]邱敏，張學文，陸中玏，楊世浩.土木工程結構振動控制的研究現狀與展望[J].安全與環境工程，2013，03：14-18.
[2]邢冠群.土木工程結構振動控制的研究現狀與展望[J].科技展望，2014，15：38.
[3]陳玉妹.關於土木工程結構振動控制技術的探討[J].門窗，2014，11：140.
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