变阻尼半主动振动控制研究现状

    1 引 言

    土木工程结构振动控制概念是由美国教授 T． J．P． Yao［1］于 1972 年提出的。历经 30 多年的理论研究、试验验证和工程实践，结构控制技术在控制装置以及控制算法设计这两个主要研究均取得了长足进步，现已成为土木工程领域的研究热点之一。

    目前，控制系统按照是否需要输入外部能量及输入能量的大小，将工程结构振动控制分为三类［2 －3］，即: 被动控制、主动控制和半主动控制。被动控制的控制效果有限、调节性能差，适合窄带控制; 主动控制属于外力控制，需要直接提供控制力的能源，造价高、技术复杂，且地震作用下无法确保能源正常供给，可靠性和稳定性较难保证; 半主动控制属于参数控制，无需控制力提供能量或只需极小的能量输入即可，用于控制结构的动力特性参数，它依赖于结构的振动反应或动荷载的信息进行实时改变结构的动力特性来达到减振的目的。

   与被动控制和主动控制相比，半主动控制技术具有耗能小、稳定性高和动力可调潜力大等优点，同时性价比也最高。因此半主动控制及其装置是近年来国际研究的热点。笔者从控制装置和控制算法两方面对变阻尼半主动控制系统进行梳理。

    2 变阻尼控制系统控制装置研究现状［2］

    Hrovat［3］首先提出主动变阻尼( AVD) 控制系统，变阻尼控制系统通过布置在结构层间的附加阻尼装置实时调整结构阻尼，由此改变结构的动力特性，以达到减轻结构振动的目的。

    目前已开发的可变阻尼控制装置有半主动粘滞阻尼器、半主动调谐质量阻尼器、半主动调谐液体阻尼器以及电/磁流变阻尼器。

    2． 1 半主动粘滞阻尼器

    变孔径阻尼器以传统的液压流体阻尼器为基础，利用旁路中控制阀的开孔率调整黏性油对活塞的运阻力，并将这种阻力通过活塞传递给结构。变孔径油阻尼器主要给安装的结构提供额外的粘性阻尼，以此来耗散输入结构的能量，所增加的刚度可忽略不计变孔径阻尼器示意图，如图 1 所示。

    Feng 和 Shinozuka［4］进行了将变孔径油阻尼器应用于桥梁抗震的研究工作。Kobori［5］等将变孔隙阻尼器应用于主动变刚度控制系统中并研究其有效性，结果证明变孔隙阻尼器可有效减小地震激励下结构的响应。Sedek［6］等人的研究得出以下结论: 对于采用变阻尼控制的柔性结构( 结构固有振动周期大于 1．5s) ，同时取得位移峰值和加速度峰值的减小是有可能的; 而对于刚性结构( 结构固有振动周期小于 1．5s) ，采用变阻尼控制则值得怀疑。杨润林等［7］通过对半主动流体阻尼器的研究，发现上述观点是片面的，同时指出仅由结构的周期判定变阻尼控制的可行性和有效性是不合理的，必须从结构固有振动周期与外激励周期二者之间的比值( 关系) 出发进行考虑。也就是说，变阻尼控制的性能取决于结构的动力特性参数和地面运动的频谱特性。因此受控结构需满足严格的结构动力特性参数和地面运动频谱特性的条件，主动变阻尼控制系统才能取得比较理想的控制效果。