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建筑结构减隔震及结构控制技术的现状和发展趋势(三)

(三)主动控制减震

 

       主动控制减震体系是利用外部能源,在结构受地震激励震动过程中,瞬时改变结构动力特性和施加控制力,以衰减结构地震反应的自动控制体系。

       主动控制体系中的控制器由三部分组成。

       ①传感器。安装在结构上,测量结构所受外部激励或结构反应或两者,将测量的信息传递给控制器的处理器。

       ②处理器。处理测得的信息,根据给定的控制算法,计算所需的控制力,并将控制信息传递给控制器中的致动器。

       ③致动器。根据控制信息,有外部供给能源产生所需的控制力,从而减小结构振动反映。

       根据控制器的工作方式,主动控制体系分三种类型:

       ①开环控制。根据外部激励信息调整控制力。

       ②闭环控制。根据结构反应信息调整控制力。

       ③开闭环控制。根据外部激励和结构反应的综合信息调整控制力。

       主动控制是振动控制的现代方法,已广泛用于电子工程,机械工程,航空航天工程等领域,但在土木工程中应用该方法进行结构主动控制尚是一个新兴研究方向。

       结构震动主动控制装置

       ①主动拉索。主动拉索控制系统由连接在结构上的预应力钢拉索构成,在拉索上安装一套液压伺服机系统。

       ②主动调频质量阻尼器。是在TMD的基础上增加主动控制力而构成的减震器。

       ③气体脉冲发生器。这是一种通过喷管释放高压气体产生脉冲动力,以减弱结构振动反应的装置。

       (四)半主动控制和混合控制

       1、半主动控制

       半主动控制兼有被动控制和主动控制的优点。它具备主动控制的效果又只需很小的电能通过调节和改变结构的性能减小地震反应,因此比较适合于改善工程结构的抗震设防。

       1)变阻尼半主动控制

       对变阻尼半主动控制的研究一度非常活跃,其目的在于寻找比定阻尼系统更好的减震效果,但事实上人们早已知道,阻尼的减振效果是有条件的。但单自由度体系基座受到简谐运动激励时,阻尼愈大,结构和相对运动(位移、速度和加速度)不断减少;对绝对运动则不然,当干扰频率与自振频率的比值一定时,增大阻尼反而会使绝对位移、速度和加速度反应增大。在地震作用下也可能出现类似的情况。

       这说明对中、短周期的结构,当设计地震动的主要周期较短时,不必要采用半主动变阻尼系统。但是对于长周期结构,采用半主动变阻尼控制方法与采用上限阻尼相比可以明显地减小绝对加速度反应,对相对反应也无不利影响。因此只有当需要同时减小长周期结构的相对位移反应和绝对加速度反应时才有必要采用变阻尼半主动控制。

       常见的变阻尼半主动控制有变孔径油阻尼器、电流变阻尼器、磁流变阻尼器、变摩擦可控阻尼器、调谐质量可控阻尼器。

       2) 变刚度半主动控制系统(AVS)

       日本鹿岛公司在他们的大型振动台控制楼上采用了AVS系统以减小中震和大震中的反应。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。

       变刚度和变阻尼系统应属于变结构控制的范畴,其理论基础在自动控制领域中已有深入地研究。在变刚度半制动控制系统中结构的层间水平刚度可以在其最大值和最小值之间跳跃或随意调节。当强震地面运动的主要频率不在被控结构自振频率的可能的变化范围以内时,对系统将产生什么样的影响则是值得研究的问题。

       2、混合控制

       将主动控制与被动控制结合起来应用或采用其它复合控制方式通常称为混合控制,其最常用的形式是用作动器拖动调谐质量阻尼器(HMS)。

       主动控制、半主动控制和混合控制由于都需要实时观测结构反应并进行实时分析和反馈控制,系统极为复杂,在推广应用方面受制于经济和技术条件。相比之下以增加结构阻尼、避免共振的被动控制技术则更适合在众多的实际工程中应用。

 

       三、今后的发展趋势

       传统的依赖结构延性的抗震措施是以一定的损伤为代价减小地震反应,应用减震消能技术则可以减小结构本身的损伤,对各类结构基本上都能使用,其减震效果对地面运动特性依赖性较小,耗资也不是很大,因此是可以广泛使用的方法。值得注意的是增大阻尼在减小结构相对位移反应和变形的过程中有时会使结构的绝对速度和加速度增大,从而对内部设备和人员带来某些不利影响。

       基础隔震对在短周期内地面运动影响下的中短周期结构而言,其减震效果比消能技术更好,但对地面运动输入特性比较敏感,不能完全消除共振的危险性。半主动控制和混合控制方法可以满足不同的设防要求,对地面运动和结构本身不确定性的地适应能力更强,可以提高结构在地震作用下的安全性,引入智能元件以后,效果会更好,因此是值得重视的新领域。此外尚应在不同学科和专业之间开展合作和交叉研究,开发使用的装置、机构和配套技术,尽快形成新的产业,以支持新技术的推广应用。结构振动控制的研究和应用需要讲传统的建造技术与高新技术相结合,使结构的安全保障系统成为智能结构的重要组成部分,为人类营造一个更加安全舒适的工作和生活环境。

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