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作者： 吴廖综合报道 来源： 发布时间：2016-9-14 15:41:24
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建筑结构的振动控制
20世纪末期，人们开始越来越多地将现代控制理论应用于土木工程结构，基础隔震，利用各种阻尼器吸能、耗能系统，高层建筑及大跨结构的被动式质量调谐阻尼系统和主动、半主动控制减震系统，均有较为成功的工程案例。
其中，美国是该领域发展最快的国家之一。作为美国的主要震区，加利福尼亚州的建筑项目在设计中如果不考虑应用阻尼器，甚至难以得到业主和主管部门的批准同意。
1994年对于美国的振动控制领域来说，是一次考验，也是新的机遇。在这一年，洛杉矶召开了第一届国际结构控制会议，自此，结构地震反应的控制，逐渐成为地震工程中的热点和前沿性研究方向。
同年，在加州北岭地震中，几栋橡胶支座隔震房屋经受住了强烈地震的考验，其在1995年日本兵库县南部地震中的表现同样优异。可以说，这对橡胶支座技术的发展起到了较好的促进作用。自这两次地震以来，应用橡胶支座的基础隔震技术已获得工程界的认同，相应的产品标准也已付诸实施，减振耗能或消能技术近年来也已从基础研究转向工程应用，产品标准亦已着手编制。
从策略上讲，减振消能方法是将地震输入结构的能量引向特别设置的机构和元件加以吸收和耗散，以保护主体结构的安全。这与传统的依靠结构本身及其节点的延性耗散地震能量相比，显然是前进了一步。
阻尼减振降噪技术是最近几十年发展起来的一种高新技术。阻尼材料是将固体机械振动能转变为热能而耗散的材料，主要用于振动和噪声控制。
阻尼减振降噪技术初期主要用于航空、航天、固体火箭推进、舰艇隐身等军事领域，其后又逐步向运载工具、土木建筑、轨道交通等民用方面推广应用，取得了显著的成就。美国的3M公司、法国的Metro Vib公司、日本的关西涂料株式会社等，都针对运载火箭、战斗机、坦克、地铁、高速铁路、轿车等行业的阻尼减振降噪材料和技术开展了大量的研制和应用工作。
为了促进各类阻尼器的研究和推广应用，美国国家地震工程研究中心编制了若干系列丛书，这对于研究和应用阻尼器很有参考价值。
粘弹性阻尼器是阻尼力与速度成比例的线性或弱非线性粘弹性元件，通常用有机硅和其他高分子材料制成。美国3M公司对粘弹性阻尼器具有较长的开发历史，其产品的主要优点是没有明显的阈值，对大震和小震都能起作用。
美国Taylor公司和Enidine公司生产的粘滞阻尼器（油阻尼器）更适合对已有结构进行抗震加固，这是因为油阻尼器不提供附加的刚度，不会因安装阻尼器而减小结构的自振周期，从而增加地震作用。这种阻尼器的性能和质量取决于制造工艺、精度和油料的质量，目前常用的油料是硅油。适当控制油料的粘度可以设计制造出不同性能的阻尼器。
调谐质量阻尼器（TMD）和调谐液动阻尼器（TLD）是利用二次系统吸引主体结构的振动能量而使主体结构减振的方法。TMD、TLD、液压质量控制系统（HMS）和消能减振方法简单实用，所需费用也比较低，今后可以在已有成就的基础上结合各类结构的特点，开发新型实用的机构，发展定型产品，研究配套的设计计算方法和构造措施，扩大其在实际工程中的应用，充分发挥减振效果。
美国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振效果。变孔径油阻尼器在减小建筑物地震响应方面的效果已在小比例模型上进行过试验验证。这项技术首先被应用于一座桥梁上，这也被认为是美国首次将半主动控制应用于实际工程。
此外，东南大学土木系曾与美国布法罗纽约州立大学地震工程研究中心合作，在南京电视塔原有TMD的基础上采用混合控制技术，以减小结构在强风和地震中的反应，这是继日本之后将这项技术应用于实际工程的又一实例。
针对桥梁结构，国外使用比较多的是粘滞阻尼器。2005 年，震惊世界的美国卡特里娜飓风几乎完全摧毁了美国50万人口的新奥尔良市和莫比尔湾区，同样给该地区的桥梁、建筑和海洋平台带来了巨大的破坏。大风吹来的海洋平台给该地区的Cochrane大桥桥面以巨大的撞击，大桥支座遭到一定程度的破坏。
飓风后，美国阿拉巴马能源部对大桥进行了鉴定观测，发现设置了68个抗风悬索阻尼器的斜拉索在大风中没有遭到任何破坏。他们的结论是，Taylor公司的阻尼器减少了悬索和桥塔的振动，避免了悬索的共振，从而起到了巨大的保护作用。
设立噪声标准
与其他交通工具相比，轨道交通具有方便快捷、运输量大、安全可靠等优势，已经逐渐成为许多大城市优先发展的公共基础设施。
然而，轨道交通在解决城市交通拥堵的同时，由于轮轨之间的撞击、车辆设备等产生的振动和噪声，不仅为车厢内的乘客带来了不适，而且对周围环境也产生了极其不利的影响。
美国在轨道交通的噪声与振动方面的发展虽然并不是最早的，但可谓进展迅速。
美国的振动研究所早在近半个世纪以前的1967年就已经成立，其旨在建立一个科学界、工程师等专业人士跨行业、跨领域交流如何测量和分析振动的机构。
美国声与振动研究所则拥有声学与振动领域较强的信息技术背景和研发能力，其网站显示其成功案例包括巴西UTE Bacarena发电厂、国家大剧院空调系统的噪声与振动控制工程设计，以及利用阻尼弹簧隔振器对东风汽车进行隔振工程设计与建造等。
其中，美国城市轨道交通环境噪声的评价标准具有科学性强的特点，标准制定所依据的原始资料获得了美国和国际环保界及声学界的公认。
2006年，美国运输部联邦公共交通管理局修订了《公共交通运输噪声和振动评价指南》，其中提出了一套城市轨道交通工程噪声环境影响评价标准，该标准适用于所有城市轨道交通工程（地铁、轻轨、自动导轨等）及其固定设施（车辆段、停车场、车站、变电站等）。
这一标准制定的依据来源于美国环境保护局于20世纪70年代进行社区公众对噪声的反应度调查研究。其结果获得了美国联邦噪声问题协调委员会、美国住房和城市开发部、美国标准协会和国际声学界的广泛认可。根据美国环保局的调查研究结果,交通噪声是公众最反感的。
美国城市轨道交通工程环境影响评价标准是以轨道交通工程实施前后其所在区域环境噪声级的增加值为基础，根据工程影响区域的具体土地利用类别确定标准值。该评价标准包含了绝对性标准，即考虑由交通工程自身引起的噪声值；也包括相对性标准，即考虑由于交通工程引起的环境噪声的改变量。
美国轨道交通环境噪声评价大致分为三个阶段:噪音甄别阶段、一般评价阶段和详细分析阶段。
噪音甄别阶段是用来确定一定距离内由轨道交通诱发的噪音出现的可能性，主要用于项目决策阶段；一般评价阶段则用于评价噪声影响的潜能或程度，是在规划线路时对振动和噪音的评估；详细分析阶段需要更加具体的工程项目的信息，例如线路选址、交通容量、单个噪声源持续时间等。与一般评价阶段相比，详细分析阶段对噪声的评估和预测更加精确。■
《科学新闻》 (科学新闻2016年7月刊 前沿视点)
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