振动控制技术在工程结构设计中的应用和发展-发

　　振动控制技术在工程结构设计中的应用和发展
　　 张永军1张大勇2 
　　(1. 大连市建设控股有限公司辽宁大连116021
　　(2. 大连理工大学，工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024)
　　摘要振动控制发展至今，已经成为传统结构设计的一个有力辅助工具。采用振动控制设计可以得到性能更优的设计方案，而在同样的性能要求下，振动控制技术往往能够得到造价更低的设计方案。本文对控制技术在工程结构设计中的发展趋势予以评述。
　　1、引言
　　土木工程结构在服役期内不可避免的经受各种环境荷载的作用，工程上比较关心的作用于结构的环境荷载主要分为两种：一是最大静荷载，另一种是交变荷载。动荷载会导致结构振动，振动过大则会引起结构疲劳、设备失效及人员舒适感问题。特别是近些年来，大型复杂土木工程结构正在向着高耸、大跨、轻质和高强的方向发展，结构变得较柔。对于这些大型柔性结构，通常可以满足强度要求，然而动荷载作用下结构的动力响应过大，使得振动问题得到了更多的关注。降低或抑制结构振动可以通过修改设计，如增加刚度的措施来实现，然而对结构进行设计修改也很难避开环境荷载的主导频率，而且增加刚度也会造成经济性差、适应性欠佳等问题，此外，对现役工程结构，修改设计很难实施。因此，需要寻找一种安全、经济、适应性佳的减振体系，减振控制方法应运而生。
　　结构振动控制是指在工程结构特定部位，设置某种控制装置或附加某种子系统，被动或主动的施加一组作用于主结构的力，用以减轻或抑制动力荷载所引起的结构响应，来满足结构的安全性，使用性和舒适性的要求。自美籍华人姚治平于1972年提出土木工程结构振动控制概念[1]以来，结构振动控制的研究从理论分析、试验研究到工程应用等方面都取得了长足的发展，目前已经成为结构工程中一个十分活跃的领域。结构振动控制技术根据所采取的控制措施是否需要外部能源可分为：被动控制、主动控制、混合及半主动控制[2]，以下将对这些技术在工程结构中的发展趋势予以评述。
　　2、被动控制技术
　　被动控制是无需能源供给的控制，其对受控结构的控制力是被动控制装置随结构一起振动产生的，被动控制其实质是通过附加装置采用隔振、耗能和吸振等技术来减小结构的能量，达到减振的目的。被动控制因其构造简单、造价低、易于维护且无需外界能源支持等优点而引起了广泛的关注，并成为当前应用开发的热点。许多被动控制技术已日趋成熟，已在实际工程中应用。被动控制技术分为隔振、耗能减振以及动力吸振。
　　基础隔振技术是国内外研究和应用最早的被动控制方法,其减振原理是通过在上部结构与基础之间安置适当的抑制振动的装置，阻碍隔阻激励向结构的传递，增大结构的自振周期，避开结构的卓越频率，同时增加结构的阻尼，降低结构响应。基础隔振能显著降低结构的自振频率，适用于短周期的中低层建筑和刚性结构，对高层建筑不太适用。目前隔振技术已经得到广泛应用，同时将隔振层设置在结构的不同部位又将这一技术发展到了层间隔振以及端部隔振。
　　耗能减振技术是通过在结构上设置阻尼器，结构在外荷载作用下振动时，耗能装置通过‘剪切变形，金属屈服滞回特性，流体穿过孔隙’耗散掉结构能量。耗能减振装置一般需要较大的相对变形，对安装位置敏感。安装在具有较大相对位移处才能充分发挥消能减振作用，因此，对于在外荷载作用下相对位移较小的的结构，结构耗能减振是一个重要方向。目前耗能减振技术是受到人们青睐的一种有效的被动控制方法。前美国纽约世贸大厦就设置了一万多个粘弹性阻尼器[3]，有效的控制了结构的风振响应。不同的结构耗能技术具有广泛的适用性，同时耗能装置成本低廉、性能可靠。
　　动力吸振技术是通过在结构上附