防灾减灾工程中的结构振动控制及应用
防灾减灾与防护工程是土木工程学科中的边缘学科，对我国试试可持续发展战略由着重要的作用。学科的主要任务是建立和发展用以提高工程结构和工程系统抵御自然灾害和人为灾害的科学理论、设计方法和工程措施，最大限度地减轻未来灾害可能造成的破坏，保证人民生命和财产的安全，保障灾后经济恢复和发展的能力，提高国家重大工程的防灾能力。
土木工程结构的振动控制成为防灾减灾工程学科一个重要的研究课题。结构的振动控制可以有效地减轻结构在车辆、风、海浪、流水、地震等动力作用下的反应和损伤积累，有效地提高结构的抗震能力和抗灾性能，是结构抗振减振和防灾减灾积极有效的方法和技术。
土木工程结构振动控制的研究和应用已有30余年的历史，其研究和应用大体上分为三个领域：基础隔震、被动耗能减振以及主动、半主动和智能控制。
1881年日本河合浩藏提出结构基础隔震的概念，1924年日本鬼头健三郎提出结构基础轴承隔震方案。1978年美国Kelly和Eidinger提出叠层相交支座隔震方法和技术，从此结构基础隔震进入了蓬勃发展的阶段。20世纪70年代初，美国Kelly提出在结构中设置非结构构件的耗能元件——金属软钢屈服耗能器，包括扭转梁。弯曲两二货U形钢器件等，分担和耗散本来由结构构件耗散的能量。这一思想是对结构抗震延性设计的一个重要发展，由此形成了结构耗能减振的一个重要方向。20世纪50年代器件，日本Kobori提出了结构变刚度的减振概念。1972年，美国Yao结合现代控制理论，提出了土木工程结构振动控制的概念，开创了结构振动控制的主动控制研究新的历程。由于直接将能量转变为控制力的主动控制在土木工程中的应用遇到了很大的困难——需要很大的能量转变为控制力，人们不得不转向主动变刚度和变阻尼等机械调解式半主动控制装置。近年来，电/磁流变液体、压电材料、点/磁致伸缩材料和形状记忆材料等职能驱动材料和期间的发展为土木工程结构的振动控制开辟了新的天地。采用职能驱动材料可以制作电（磁）或温度等调节的被动阻尼减振装置、主动控制的驱动装置和半主动控制的变阻尼装置，而且出力大、耗能小、反应迅速，将成为结构振动控制新一代的高性能减振驱动装置或变阻尼装置。例如，美国Lord公司已经研制出能耗22W、最大出力200kN的磁流变液阻尼器。这种装置固定磁场强度可以用作被动耗能减振的阻尼器，调节磁场强度可以用作半主动控制的变阻尼装置。
基础隔震是在上部结构和基础之间设置水平柔性层，延长结构侧向振动的基本周期，从而减小水平地震地面运动对上部结构的作用。水平地震地面运动加速度的卓越周期通常在0.1s~1.0s之间（GB50011-2001），基础隔震结构侧向振动的基本周期一般可延长到4.0s左右，因此基础隔震结构基本周期远离地震卓越周期，上部结构的地震作用、横向剪力和相对变形大幅度减小，但是水平刚度较小的柔性隔震层变形较大，是整个结构安全保障的关键。基础隔震的水平柔性层通常由隔震垫（水平刚度小、竖向刚度大）和阻尼器组成。隔震垫和阻尼器都已有标准型号和商业产品，隔震结构的分析和设计方法日渐成熟并进入设计规范、规程和指南。隔震桥梁和建筑已经在国内外建成了上千座，并经受了地震的考验。
结构被动耗能减振是在结构中设置非结构构件的耗能元件（通常成为耗能器或阻尼器）膜结构振动使耗能元件被动地往复相对变形或者再耗能元件间产生往复运动的相对速度，从而耗散结构振动的能量、减轻结构的动力反应。结构设置耗能元件一般不改变结构的形式，也不需要外部能量输入。近30余年来研究发展起来的耗能元件基本上可以分为三大类：速度相关型耗能元件，如线性粘滞或粘弹性阻尼器；位移相关型耗能元件，如金属屈服型或摩擦型阻尼器；调谐吸振型耗能元件，如调谐质量阻尼器或调谐液体阻尼器。钢结构低阶阻尼比一般小于2%，钢筋混凝土结构低阶阻尼比通常在5%左右，结构中设置的调谐吸振型耗能元件一般可以给结构附加3%以上的阻尼比，因此对小阻尼比的钢结构具有较好的减振效果，而结构中设置其他类型的耗能元件通常可以给结构附加10%甚至20%以上的阻尼比，对多数结构都具有较好的减振效果。被动耗能元件已有不同形式的。标准型号的商业产品，被动耗能减振结构的分析和设计方法也日趋成熟并逐步进入设计规范、规程和指南。被动耗能减振结构已在国内外建成数百座，并在一定程度上经受了地震的考验。例如，截止到2000年，北美已建成100余座被动耗能减振建筑与桥梁，中国目前也有几十座新建或加固的被动耗能减振建筑与桥梁。
结构主动控制需要实时测量结构反应或环境干扰，采用现代控制理论的主动控制算法在精确的结构模型基础上运算和决策最优控制力，最后作动器在很大的外部能量输入下实现最优控制力。在结构反应观测上实现的主动控制称为反馈控制，而在结构环境干扰观测基础上实现的主动控制则称为前馈控制。结构主动控制的基本原理如下图所示。主动控制作动器通常是液压伺服系统或电机伺服系统，一般需要较大甚至很大的能量驱动。主动调谐质量阻尼器（主动控制作动器驱动的调谐质量阻尼器，建成混合质量阻尼器，HMD）和主动质量阻尼器（AMD）等组成的主动控制系统，在高层建筑、电视塔和大型桥塔结构（包括桥塔施工阶段的风振控制）应用了HMD或AMD主动控制系统。但是，直接将能量转变为控制力并施加在结构层间的主动斜撑（ABS）或主动锚索（ATS）的控制系统一般需要很大的能量和多个作动器，这再实际工程中难以实现。ABS或ATS系统控制小型结构需要数千瓦能源，控制大型结构则高达数千千瓦能源。
结构半主动控制的原理与结构主动控制的基本相同，只是实施控制力的作动器需要少量的能量调节以便其主动地甚至可以说是巧妙地利用结构振动的往复相对变形或相对速度，尽可能地实现主动最优控制力。因此，半主动控制作动器通常是被动的刚度或阻尼装置与机械式主动调节器符合的控制系统。其中代表性的半主动控制装置主要有变刚度系统（AVS）和变阻尼系统（AVD）。由于半主动控制系统力求尽可能地实现主动最优控制力，因此主动控制理论算法是结构半主动控制的基础；又由于半主动最优控制系统能够实现的控制力形式和方向的有限性，因此又需要建立反映半主动控制力特点的控制算法（通常称为半主动控制算法）来驱动半主动控制装置尽可能地实现主动最优控制力。1990年日本Kajima研究所的三层建筑钢结构办公楼首次应用了主动变刚度控制系统，经受了实际的中小地震作用并显示出了很好的控制效果。1997年美国首次应用主动变阻尼控制装置控制告诉公路I-35连续梁钢桥重载车辆引起的振动，显示出了很好的控制效果。
干扰结构反应前馈作动器（主动、半主动或智能装置）反馈（传感器）（传感器）控制器（计算机；主动、半主动或智能算法）
结构主动、半主动与只能控制原理框图
结构只能控制包括采用只能控制算法和采用只能驱动或智能阻尼装置的两类智能控制。采用诸如模糊控制、神经网络控制和遗传算法等只能控制算法为标志的结构只能控制，它与主动控制的擦汗别主要表现在不需要精确的结构模型、采用只能控制算法确定输入或输出反馈与控制增益的关系，而控制力还是需要很大外部能量输入下的作动器来实现。另一类是采用诸如电/磁流变液体、压电材料、电/磁致伸缩材料和形状记忆材料等驱动材料和器件为标志的结构智能控制，它的控制原理与主动控制基本相同，只是试试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。智能驱动器通常需要比液压或电机式作动器更少的外部输入能量并基本或完全实现主动最优控制力，从这一点来说，它与主动控制作动器性能相同或者说就是主动控制作动器，只是利用外部能源（通常是电能）转换为机械能（实现控制力）的方式、速度和效率不同。智能阻尼器与半主动控制装置类似，仅只对变形或相对速度尽可能地实现主动最优控制力，但是，利用结构振动的往复相对变形或相对速度调节阻尼力的方式、速度和效率不同。目前代表性的只能阻尼器主要有磁流变阻尼器和压电变摩擦阻尼器。1995年日本Nakajima桥梁施工中的桥塔AMD控制应用了模糊控制算法。磁流变阻尼器已应用于日本的一座博物馆建筑地震控制和Keio大学的移动隔震居住建筑以及中国的岳阳洞庭湖大桥多塔斜拉桥的拉索风雨振动控制。
结构主动、半主动和只能控制以其严密的科学理论、优良的振动控制效果、更宽广的适应范围和可灵活选择的控制目标以及多学科交叉与高新技术融合的特征吸引了国内外中国科技工作者研究和应用的兴趣。也正因为多学科科技工作者的交流、合作与联合攻关大为缩短了土木工程这一富有挑战性的领域从研究走向工程应用的历程。
