【摘要】在建筑物结构上安装耗能减震装置,在结构受外力的情况下,能够抑制或减弱外力对结构物的破坏。根据外部能量的输入可以将结构控制分为被动控制、主动控制、半主动控制、智能控制和混合控制。
一、被动控制
建筑物被动控制是指在建筑的结构位置上安装耗能装置,或者对建筑结构物的某些部位进行处理,使得建筑物在外力的作用下得到合理控制。被动控制具有构造简单、造价低、易于维护等优点,在实际工程中得到广泛的应用。在新的建筑抗震技术规范上有隔震和消能减震设计的专门章节。主要包括基础隔震、消能减震和吸震减震。
二、主动控制
建筑物结构主动控制是指利用控制技术,对输入地震动力和反应实现练级实时跟踪观测,根据预定的控制算法和要求达到的减震目标分析计算出所需控制力,然后应用加力装置,将其施加到结构上,使得结构在地震或其他动力作用下的响应控制在允许范围内,从而达到保护建筑物结构免遭损伤。
主动控制需要外部能量输入提供控制力,控制过程以来与结构反应和外界干扰信息。主动控制系统由传感器、运算器和施力作动器等三部分组成。主要包括主动拉索系统,主动质量阻尼器,主动支撑系统等。
主动控制系统具有广泛的应用范围,控制效果好,但因为结构复杂,造价昂贵,所需的巨大能量在强烈地震作用下难以实现,因此在实际工程中遇到较大困难。
三、半主动控制
建筑结构的半主动控制是以被动控制装置为主要减震工具,辅以主动控制手段,能够依据外界荷载的激励信息和结构的反应信息,仅需很少的能源来调节控制装置的工作状态,以改变结构的动力特性,减小结构的动力响应。与被动控制相比,由于具有自动调节的功能,其控制范围和控制效果明显增强;与主动控制相比,由于所需外部能源很少,克服了控制成本高系统工作可靠性较难保证的缺点。半主动控制兼有被动控制和主动控制的优点作为结构振动控制新的研究方向已经受到国内外学者的广泛关注。目前典型的半主动控制系统有:可变刚度系统、可变阻尼系统、主动调谐参数质量阻尼系统及可控摩擦式隔震系统等。
四、智能控制
建筑结构振动的智能控制是国际振动控制研究的前沿领域。由智能材料制成的智能可调阻尼器和智能材料驱动器构造简单、调节驱动容易、耗能小、反应迅速、几乎无时滞,在结构控制领域具有广泛的应用前景。智能控制的控制原理与主动控制基本相同,只是实施控制力的作动器是智能材料制作的智能驱动器或智能阻尼器。并采用智能控制算法,与主动控制相比并不需要很大外部能量的作动器来实现。目前国内外的在结构智能控制方面的研究主要集中在智能阻尼器或驱动器的性能,以及对建筑结构模型试验的研究上试用于土木工程智能控制的智能材料主要有:电流变液(ER)、磁流变液(MR)、压电材料(PZ)、形状记忆合金(SMA)和磁滞伸缩材料等。
五、混合控制
混合控制是主动控制和被动控制的联合应用,使其协调起来共同工作。这种控制系统充分利用了被动控制和主动控制的优点,既可以通过被动控制系统耗散大量振动能量,又可以利用主动控制系统保证控制效果,比单纯的主动控制节省大量的能量,因此具有良好的工程应用价值世界上第一个安装混合质量阻尼器(HMD)控制系统的建筑是日本东京清水公司技术研究所的七层大楼(1991年),目前日本已建成的20多所主动控制的房屋中绝大多数采用混合控制技术我国的南京电视塔也采用了主动质量阻尼器(AMD与被动调谐液体阻尼系统(TLD)相结合的混合控制体系来控制结构的风振反应。