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减隔震措施

减隔震措施

1调谐质量阻尼器

TMD的基本原理

TMD对结构进行振动控制的机理是:当结构在外激励作用下产生振动时,带动TMD系统一起振动, TMD系统产生的惯性力反作用到结构上,调谐这个惯性力,使其对主结构的振动产生调谐作用,从而达到减少结构振动反应的目的。为了说明TMD的减振原理,将TMD 系统和主结构简化为两自由度的质量、弹簧、阻尼体系,如图1-1所示。

 

图1-1 TMD结构系统计算模型

从计算原理分析,忽略主结构和TMD系统的阻尼,该体系的运动方程为:

其中,m1为主结构的质量;k1为主结构的刚度;m2为TMD系统的质量;k2为TMD 系统的刚;x1为主结构相对于地面的位移;x2为TMD系统相对于地面的位移。设主结构受简谐激励P(t)=P0Sinωt,频率为ω。利用传递函数解法可求得主结构和TMD 系统的位移反应和:

    (3)

 

 

    (4)

 

 

其中,A1、A2分别为主结构和TMD系统相对于等效静力位移的位移反应动力放大系数;P0/k1为主结构在外激励作用下的最大等效静力位移;ω1为主结构的固有频率,ω1=(k1/m1)1/2;ω2为TMD系统的固有频率,ω2=(k2/m2)1/2;f为TMD系统与主结构的固有频率比,f=ω12;h为外激励与主结构的频率比,h=ω/ω1;μ为TMD系统与主结构的质量比,μ=m2/m1

由式(3)、(4)可得出受简谐激励的结构被动调谐减振机理如下:

 1) 当TMD 的固有频率ω2等于主结构的激励频率ω时,则f=h。此时:x1=P0A1/k1=0,(x2-x1)k2=-P0。其中,x1=0表明,使主结构达到最优调谐减振效果的调谐条件是:TMD系统的固有频率等于主结构的激励频率。(x2-x1)k2=-P0表明,当满足上述调谐条件时,TMD 系统向主结构施加一个惯性力,其大小与激励外力相等、方向相反。这就是TMD 系统调谐减振的机理。

2) 当TMD的固有频率ω2等于主结构的固有频率ω1时,f=1。此时考虑主结构最不利的振动反应即主结构受激励共振,ω1=ω,h=1。此时,x1=P0A1/k1=0。x1=0表明, 当主结构被外激励激发共振时,使主结构达到最优调谐减振效果的调谐条件是:TMD系统的固有频率等于主结构的固有频率。

3) 当ω≠ω12时,即当激励频率偏离TMD系统的固有频率时,可能导致主结构产生很大的振动反应。

 

TMD的功能和优越性

近年来,结构控制的理论与实践应用得到了飞速发展,调谐质量阻尼器作为被动控制技术之一,在生产实践中不断地得到应用。调谐质量阻尼器是最常用的一种被动控制系统,因其构造简单,易于安装,维护方便,经济实用,并且不需外力作用,有着其他方式无法比拟的优点,因此在高层建筑风振控制、桥梁及海洋平台振动控制等领域得到重视。研究表明被动的TMD系统对结构风振的最佳效果可达50%,并且用实例进行验证,被动TMD系统对高耸的风振控制有明显的效果。

传统的结构设计依靠结构强度和耗能能力来抵抗重型机器荷载、暴风、强地震等动力作用。1909年Frahm首次提出用调谐质量阻尼器(TMD),即动力吸振器,作为控制和减小动力系统振动的一种方法。此后,各国的研究工作者在被动TMD控制的理论和应用方面做了大量的工作。美国最早开始进行制振理论的研究并将TMD装置应用到了高层建筑,如纽约的Citicorp Center,波士顿的John Hancoek Building,获得了令人满意的效果。前苏联于20世纪50年代初就在钢电视塔及烟囱上安装了撞击式摆锤,使得风荷载作用下的振动得到较大的衰减。20世纪70年代,美国波士顿60层的John Hancock大楼和纽约274 in高的世界贸易中心大楼也分别安装了数百吨重的TMD装置,有效地控制了结构的风振响应将TMD系统应用于基底隔震结构可以更有效地吸收地震能量,基底相对位移显著降低。

中国台北101大厦总高度502m,共100层,在87层的一个房间内挂有一个端部带阻尼的大复摆,可减振40%~60%(风振)。阿联酋28层七星级大酒店,为了抵抗地震和风振,在弧形支撑杆内安装了单自由度摆动的TMD系统,实现了减振。


TMD系统的构造

调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,简称TMD)系统是结构被动减振控制体系的一类,它由主结构和附加在主结构上的子结构组成。其中,子结构包括固体质量、弹簧减震器和阻尼器等,它具有质量、刚度和阻尼,通过改变质量或刚度调整子结构的自振频率,使其尽量接近主体结构的基本频率或激励频率,当主结构受激励而振动时,子结构就会产生一个与结构振动方向相反的惯性力作用在结构上,使主结构的振动反应衰减并受到控制。子结构在减振控制过程中相当于一个阻尼器,所以把子结构称为“调频质量阻尼器”。由于这种系统是利用调整子结构的动力特性来减小结构的动力特性(自振频率)的,而不是靠提供外部能量,故又称为“被动调频减振控制体系”。

 

MTMD系统

近20年来,国内外学者借鉴单个TMD系统的理论和技术方法,提出多调谐质量阻尼器的概念(Multiple Tuned Mass Damper),简称MTMD。

MTMD系统是由多个TMD组成的,其控制作用有两个方面:一是利用MTMD系统控制单自由度结构体系,将每个TMD的自振频率分布在一定范围内。研究表明,MTMD系统对结构振动反应的控制效果比质量相等的TMD的控制效果好;二是利用MTMD系统控制多个自由度结构体系,将每个TMD的自振频率调谐到需要控制的结构相应振型的自振频率上。目前,这方面的研究成果还很少。

单自由度结构体系利用MTMD系统控制结构地震反应力学模型如图1-2所示。

图1-2 MTMD结构系统计算模型

MTMD系统中,每个TMD的质量和阻尼比相同。结构在安装MTMD系统后体系的运动方程为

       式中,xs为体系各质点位移列向量;xi为第iTMD相对于地面的位移;{I}为单位列向量;[M]、[C]、[K]分别为体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,其表达式为

 

其解法与安装TMD系统的结构体系相同。

MTMD系统可对受较宽频带的外激励的结构进行振动控制,效果明显。上海青浦电视塔,高168m,在离地面137.5m的一段悬挂11个质量摆,它们组成的频带与风激励所产生的电视塔振动频带基本吻合,经测试发现,电视塔天线端位移被控制效果为20.3%,塔楼加速度响应最大值控制效果为36.4%。

现阶段,国内外的学者们对TMD系统进行了改进和扩展,形成了利用结构内部质量作为减振质量的扩展质量调谐阻尼器 (Extended Tuned Mass Damper,简称ETMD)的振动控制新概念,此系统克服了TMD系统需要增加额外质量的不足,减轻了系统承载的负担。目前该系统已经被应用于海洋平台的振动控制。其优点是调谐质量与平台剩余质量之比可达200%以上,是普通 TMD系统的40倍,减振效果良好。

 

2调液质量阻尼器

TLD的构造

 

调谐液体阻尼器(Tuned Liquid DamperTLD)是一种结构被动控制装置,它由水箱、普通用水及一般的支撑固定装置组成,是固定在结构上的刚性容器,是利用水箱中的液体在晃荡中产生动侧压力来提供减振力的一种装置。

根据不同的指标,TLD有不同的分类方法。按形状分,有矩形、圆柱形或圆环形的水箱和U型形状的管状水箱;按水箱中水的深浅可分为深水TLD和浅水TLD,液深与振动方向尺寸之比大于1/8的为深水TLD,否则为浅水TLD水箱。圆柱浅水的设计实物图如图2-1,矩形深水TLD实质就是一个装有液体的水箱。

图2-1  TLD实物图

 

TLD的基本原理

 

将TLD安装在结构上,当TLD体系在受到地震或风荷载作用时产生振动,带动水箱一起运动,而水箱的运动又会使箱中的液体发生振荡,并引起表面的波浪。液体振荡产生的动水压力作用于刚性容器壁并传播到结构上,从而对结构运动产生影响。这个作用是惯性力和耗能作用的组合,利用其阻尼的耗能作用和惯性的吸振作用,达到减小结构反应的目的。

2-2  TLD系统的力学模型

 

图2-2给出结构利用TLD减振的力学模型。根据结构的自振频率,适当地调节容器中水的质量及水的自振频率,可以找到一个最适宜的TLD尺寸,使得此时TLD中液体的惯性力最大,即TLD对结构的控制力最大。

TLD对结构的振动控制是TLD-结构相互作用的结果。在相对地面的坐标系统中,可以简化成n个质点的结构装有TLD装置时,TLD-结构系统的受控反应方程可表示为

 

2-3  结构-TLD体系减震示意图

 

TLD的功能和优越性

 

TLD体系有如下优点:TLD利用的是水体晃动耗能原理,本身就可以近似为一个质量-弹簧-阻尼系统,不需要弹簧及阻尼器部件:同时TLD由水箱、普通用水及一般的支撑固定装置组成,因此造价低廉。TLD工作期内,基本不需要维护,即使维护,费用也非常低廉。TLD的设计可以参照现有的供水及消防用水水箱设备设计,由于TLD内的水可用于消防用水,因此,节约了相应消防设备,如高压泵的配置等,降低了结构由于安装控振装置而增加的部分造价。TLD的工作空间不大,它通过水体在箱体内的晃动来提供控制力,不需要另外的工作空间。TLD给结构带来的附加质量一般不大,由于一般的高层建筑结构均要设置普通用水及消防用水,TLD的设计则可以利用这一部分水,所以对结构的额外附加质量不大,另外,TLD还有构造简单,设计安装方便等诸多方面的优点。

建于1974年的日本Nagasaki机场指挥控制塔,是TLD工程应用的经典实例。该建筑底部有约4m高的钢筋混凝土基底,上部为钢框架结构,总高42.2m,质量为172t,由于该塔的振动加速度不满足住宅振动加速度舒适度标准,故于1987年在该塔楼上增设TLD装置来控制结构振动加速度,这是实际应用中首次将TLD装置应用于地面结构物。该塔共设置了25个TLD装置,水的总重量为0.94t,为塔总重量的0.55%,为第一振型广义质量的1.5%。每个TLD由聚氯乙烯的圆柱形水箱制成,高0.5 m,直径0.38m,分7层,每层约高0.07m,水深约0.048m。TLD中水的晃动第一频率与结构的第一频率之比为0.95。根据现场实测结果可知,增设TLD后结构阻尼比增大了5倍,即由原来的0.9%增至4.7%;实测风速为20m/s时,位移反应减少了36%~51%;结构振动加速度可以满足住宅舒适度要求,减振效果明显。

3耗能阻尼器的减振与设计

 

结构消能减震技术是指在结构物某些部位(如楼层间、节点间、相邻建筑间等)设置适当的消能部件,通过消能器产生摩擦、弹塑性变形或粘弹性滞回变形,消散吸收输入结构的地震能量,达到减震控震目的。在结构上附加消能减震装置的减震方法是结构被动控制的一种。

摩擦阻尼器

 

摩擦阻尼器是应用较早和广泛采用的阻尼器之一,它是利用两块固体之间相对滑动产生的摩擦来耗散能量。这种阻尼器已较早地应用在其他工业领域,如汽车的刹车装置。

目前研究开发的摩擦阻尼器主要有:普通摩擦阻尼器、Pall 摩擦阻尼器、Sumitomo摩擦阻尼器、摩擦剪切铰阻尼器、滑移型长孔螺栓节点阻尼器、形芯板摩擦阻尼器、拟粘滞摩擦阻尼器、多级摩擦阻尼器以及一些摩擦复合耗能器。简单介绍以下三种阻尼器的构造:

1)普通摩擦阻尼器的构造

它是通过开有狭长槽孔的中间钢板相对于上下两块铜垫板的摩擦运动而耗能,调整螺栓的紧固力可改变滑动摩擦力的大小。滑动摩擦力与螺栓的紧固力成正比,另外,钢与铜接触面间的最大静摩擦力与滑动摩擦力差别小,滑动摩擦力的衰减也不大,保证摩擦耗能系统工作的稳定性。经过试验发现,摩擦力的衰减随螺栓紧固力的减小而增大,且摩擦力的衰减是螺栓松动引起的。如图3-1所示。

3-1  普通摩擦阻尼器(黄铜垫板   2 中间钢板)

2Pall 摩擦阻尼器的构造

它是 1982PallMarsh研究的一种安装在X型支撑中央的双向摩擦器,并且已用于实际的结构工程中。该阻尼器中支撑的两根柔性交叉斜杆在中心节点处各自都断开,并采用夹摩擦耗能材料的滑动连结的构造做法,同时交叉杆中心处又用四根连接杆连成一个铰接方框。这样,当结构的动力反应引起阻尼器所在结构层发生相对层间位移时,将在支撑斜拉杆中产生拉力,当此拉力达到或超过支撑中心滑动连结节点的滑动摩擦力时,就会带动斜杆在中心节点处相对滑移错动,从而产生摩擦耗能。另外,该阻尼器的变形特点使耗能支撑的设计不受临界力的限制。如图3-2所示。

与普通摩擦耗能器相比较,Pall 摩擦阻尼器的摩擦力稳定的多,摩擦力的衰减与螺栓紧固力没有关系。Pall摩擦阻尼器起滑时将由矩形变为平行四边形,其对角线在受拉边变长,受压边变短。这种变形方式使得支撑在受压时不会发生失稳屈曲,这样在反向变形时,受压杆将直接变成受拉杆,不需要恢复屈曲变形后再使摩擦器起滑。

3-2  Pall 摩擦阻尼器

3 T形芯板摩擦耗能器的构造

它是1997年欧进萍、吴斌等人对Pall摩擦耗能器进行改进研制出来的,它由T形芯板和四周连板通过螺栓连接而成。当耗能器发生变形时,T形芯板相对横连板运动,而产生摩擦力耗能,其滞回特性与Pall摩擦耗能器完全相同。

Pall摩擦耗能器相比,T形芯板摩擦耗能器有如下优点:只有一侧摩擦,减少了摩擦片数,所以构造和制造工艺简单;少用了一个预紧力螺栓和2个定位十字芯板螺栓,安装方便;节省了钢材和摩擦片,造价低。

2、摩擦阻尼器的基本原理

摩擦阻尼器作为一种耗能装置,因其耗能能力强,荷载大小、频率对其性能影响不大,且构造简单,取材容易,造价低廉,因而具有很好的应用前景,特别是在控制结构近断层地震反应和中高层结构地震反应方面有独特优势。

摩擦阻尼器对结构进行振动控制的机理是:阻尼器在主要结构构件屈服前的预定荷载下产生滑移或变形,依靠摩擦或阻尼耗散地震能量,同时,由于结构变形后自振周期加长,减小了地震输入,从而达到降低结构地震反应的目的。

在众多摩擦耗能器中,除了部分摩擦耗能器(如拟粘滞摩擦耗能器和某些复合型耗能器等)外,大多数摩擦耗能器在反复循环加载下摩擦阻尼器的滞回曲线为矩形,符合库仑模型。库仑模型的基本原理基于以下假设 

(1)总摩擦力大小依赖于接触面表面情况。

(2)总摩擦力大小与施加在接触面的力的大小成正比。

(3)若两接触体相对滑动速度较小,则摩擦力与速度无关。根据以上假定,其恢复力表达式为:

式中:FdN分别为库仑摩擦力与法向压力;

f为摩擦系数,sgn是符号函数。

3、摩擦阻尼器的功能和优越性

摩擦阻尼器自70年代末开发以来,研究了多种耗能装置,由于摩擦阻尼器具有良好的耗能能力,荷载大小、频率对其性能影响不大,且构造简单,取材容易,造价低廉,因此在实际工程中已的到了较广泛的应用。在我国,许多实际工程也采用了摩擦阻尼器来提高结构的抗震能力。

云南省洱源县振戎中学新建教学楼和食堂楼作为一个试点工程,分别采用了欧进萍等人研制开发的T形芯板摩擦阻尼器和拟粘滞摩擦阻尼器。云南省是我国地震多发区,该中学位于地震基本烈度9度的地区,3类场地,其中教学楼三层,建筑面积1217m2,高度10.4m,阻尼器用X斜撑安装于结构中。在HELENA MONTANA地震波、HOLLISTER地震波与一条人工波作用下,通过程序分析在小震和大震下的反应,满足规范的要求。 

加拿大Montreal 市的Concordia大学图书馆由10层的主体建筑和两栋层的附属建筑组成,两部分之间用走廊相连,结构为钢筋混凝土框架。Pall 摩擦阻尼器安装在框架的交叉钢支撑节点处。该建筑共使用了60个摩擦阻尼器,达到了预期的耗能要求,并使结构造价节省6.5%,总造价节省1.5%

除应用于新建结构之外,摩擦阻尼器也可用来对现有建筑物进行加固,如东北某政府大楼是建于本世纪30年代的建筑,分为L型楼和西楼两部分。大楼为3层钢筋混凝土纯框架结构,为改善政府的办公条件增建第四层和第五层。由于原结构建造时未考虑抗震设防,因此其构造与现行抗震规范的要求相差甚远,导致结构缺乏足够的抗震能力。为提高其抗震性能,采用摩擦阻尼器对加建后的大搂进行了抗震加固,具有足够的抗倒塌能力,在地震作用下能满足规范要求。

防屈曲耗能支撑

 

1、防屈曲耗能支撑的构造

防屈曲耗能支撑的构造从横向看分为3部分,即核心单元、约束单元及滑动机制单元,如3-3所示。

3-3 防屈曲支撑横向构造

(1)核心单元

核心单元,即芯材,又称主受力单元,是此构件中主要的受力元件,由特定强度的钢板制成。常见的截面形式为十字形、T形、双T形和一字形等,如图3-4所示,分别适用于不同刚度要求和耗能需求。

(2)约束单元

约束单元又称侧向支撑单元,负责提供约束机制,以防止核心单元受轴压时发生整体或局部屈曲。目前最常见的约束形式为矩形或圆形钢管填充混凝土所构成。

(3)滑动机制单元

滑动机制单元又称为脱层单元,是在核心单元与约束单元间提供滑动的界面,使支撑在受拉与受压时尽可能有相似的力学性能,避免核心单元因受压膨胀后与约束单元间产生摩擦力而造成轴压力的大量增加,这种滑动单元一般是由一些无粘结材料制作而成的。

(a) 单截面形式

b)双截面形式

图 3防屈曲耗能支撑核心单元的常见截面

防屈曲耗能支撑的纵向构成为5个部分,如图3-5所示:约束屈服段;约束非屈服段;无约束非屈服段;无粘结可膨胀材料;屈曲约束机构。

图 3防屈曲耗能支撑的纵向构成

(1)约束屈服段

该部分的截面可为多种形式,由于要求支撑在反复荷载下屈服,因此需使用延性较好的中等屈服强度钢,有时也可用高强度低合金钢。同时要求钢材的屈服强度值稳定,这对支撑的能力设计的可靠性非常重要。

(2)约束非屈服段

该部分也包在套管和混凝土内,通常是约束屈服段的延伸部分。为确保其在弹性阶段工作,因此需要增加构件截面积。可以通过增加约束屈服段的截面宽度实现(截面的转换需要平缓过渡以避免应力集中),也可通过焊接加劲肋来增加截面积。

(3)无约束非屈服段

该部分通常是约束非屈服段的延伸部分,它穿出套管和砂浆,与框架连接。为便于现场安装通常为螺栓连接,也可采用焊接连接。这部分的设计需考虑:①安装公差以便安装和拆卸;②防止局部屈曲。

(4)无粘结可膨胀材料

橡胶、聚乙烯、硅胶、乳胶这些材料可以有效减少或消除芯材受约束段与砂浆之间的剪力。由于约束机构的作用,约束屈服段可能会在高阶模态中发生微幅屈曲,此外,还需要足够的空间容许芯材在受压时膨胀,否则由于芯材与约束机构接触而引起的摩擦力会迫使约束机构承受轴向力,因而,填充材料和芯材间需要留一定的间隙。但另一方面,如果间隙太大,约束屈服段的屈曲变形和相关曲率会非常大,这会减小屈服段的低周疲劳寿命。

(5)屈曲约束机构

这一机构主要由砂浆和中空钢套管组成,砂浆需要通过适当的配比和捣制来保证足够的抗压强度,否则就不能有效限制屈服段的屈曲位移。如果有恰当的设计和合理的构造,理想情况下钢套管不会承受任何轴力。

2、防屈曲耗能支撑的基本原理

防屈曲耗能支撑的形式多样,但原理基本相似。防屈曲耗能支撑的原理为:支撑结构在地震作用下所承受的轴向力作用全部由支撑中心的芯材承受,该芯材在轴向拉力和压力作用下屈曲耗能,而外围钢管和套管内灌注混凝土或砂浆提供给芯材弯曲限制,避免芯材受压屈曲。由于泊松效应,芯材在受压情况下会膨胀,因此在芯材和砂浆之间设有一层无粘结材料或非常狭小的空气层,可以减小或消除芯材受轴力时传给砂浆或混凝土的力。

防屈曲耗能支撑在受拉与受压时均能到达屈服而不发生屈曲,较之传统支撑构件具有更稳定的力学性能,经过合理设计的防屈曲耗能支撑可具有高刚度和良好的滞洄耗能能力,因此,防屈曲耗能支撑同时具有同心斜撑和滞洄耗能元件的优点,具有良好的应用价值。

3、防屈曲耗能支撑的功能和优越性

(1)安全性

由于结构体系设有防屈曲耗能支撑构件,在强震中防屈曲耗能支撑能率先进入耗能状态,消耗输入结构中的地震能量及衰减架构的地震反应,保护主体结构和构件免遭损坏,从而确保结构在强震中的安全性。而且由于防屈曲耗能支撑良好的滞洄耗能性能和施工安装方便、经济、设计灵活且不影响建筑物美观等诸多优点,使其不仅成为新建结构抗震设计的较佳选择,也成为已有结构抗震加固和改造的重要手段。

北京银泰中心是一个大型群体建筑,由酒店住宅楼、办公楼裙防等五部分构成,主塔楼为63层全钢结构,结构总高度249.5m。其设备层的神笔桁架斜杆用防屈曲支撑替代,有利于大震时吸收地震能量。

台中国泰世华国际大楼,46层,设计于1999年以前,完工后已成为台中市的地标。该工地新建过程巧遇“9.21”集集大地震,由于地震过后该地区的抗震规范修正,使其设计地震力提高,致使原结构的短向不满足抗震要求,必须提升其刚度和强度,故安装防屈曲耗能支撑于该方向上,以达到设计要求。该工程共计安装80支纯钢造防屈曲耗能支撑于结构短向上,分布从地面层至地面20层为止。采用防屈曲支撑加固后,满足现有抗震规范,达到了预期的目的。

(2)经济性

传统的抗震结构体系采用“硬抗”地震的途径,通过加强结构、加大断面、加多配筋等途径提高结构抗震性能,使结构的造价明显提高。而在结构上增设防屈曲耗能支撑构件,可以减少结构中剪力墙的数量、减少结构断面、减少配筋,而其抗震性能反而提高。国内外工程资料表明,使用防屈曲耗能支撑体系的耗能减震体系与传统抗震结构体系相比,可节约结构造价3%~10%,若用于已有建筑结构的改造加固,可节省造价会更加可观,有的改造加固工程节省造价达60%左右。

位于上海古北新区的某办公楼,是由1栋甲级办公塔楼和3栋商业裙房总成的商业办公楼,最高建筑高度69.15m、地上最高15层、商业裙房为2~4层,底下3层。设置防屈曲耗能支撑,从用钢量上看,防屈曲耗能支撑的普通支撑的用钢量少约170t,约占总用钢量的8%,考虑到防屈曲耗能支撑的单价,按一万元价格折算成1t的用钢量计算,实际折算的用钢量减少约20t。达到了经济合理性的目的。

 

粘弹性阻尼器

 

1、粘弹性阻尼器的构造

粘弹性阻尼器(Viscoelastic Damper,简称VED)最早是应用于航空航天工业中来控制由振动产生的疲劳破坏,用于土木工程的减振控制是近几十年的事。

粘弹性阻尼器是由粘弹性材料和约束钢板构成。典型的VED如图3-6,它是由两块T型钢板和一块矩形钢板中心加有粘弹性材料所组成的,钢板和粘弹性材料是通过硫化过程结合成为整体。在反复力作用下,钢板产生相对位移,使得粘弹性材料产生往复的剪切变形,从而耗散能量。常用的粘弹性材料为异量高分子聚合物,它既有粘性,又具有很好的弹性,可以起到稳定结构的作用,并耗散结构外部输入能量。

图 3粘弹性阻尼器的组成

日本已研制出多种粘弹性阻尼器,其中几种类型及应用情况列于表1-1中。

 

表1-1 粘弹性阻尼器类型及应用

阻尼器名称

 

开发单位

 

研究内容

 

工程应用状况

 

沥青橡胶组合粘弹性阻矿器(BRC)

 

Shmizu公司

比较装有阻尼器和未装阻尼器的两建筑的地震反应

24层钢结构双塔建筑(一个装有阻尼器,一个未装)

粘弹性橡胶剪切阻尼器

Bddgestone公司

5层钢框架模拟振动台试验


粘弹性阻尼墙系统(VD-WS)

Oiles和Sumitomo建筑公司

4层足尺钢框架地震模拟试验

4层钢筋混凝土试点建筑和一幢16层建筑

超塑性硅氧橡胶粘弹性剪切阻尼制震墙系统

Kumagai—Gumi公司

3层钢框架地震模拟试验


2、粘弹性阻尼器的基本原理

粘弹性阻尼材料通常用储存剪切模量G'、损耗剪切模量G"和损耗因子η来描述,3种特性参数之间的关系为:

粘弹性阻尼器的性能则常用储存刚度K',损耗因子η和每一滞回圈的耗能Ed来表示,即:

式中:A为粘弹性层的剪切面积;t为粘弹性层的厚度;n为粘弹性材料的层数;γ0为粘弹性材料的剪切应变。

 

装有粘弹性阻尼器的结构,在地震作用下的弹性振动的动力方程可以表示为:

3、粘弹性阻尼器的功能和优越性

大量的试验研究表明,粘弹性材料具有较强的耗能性能,在大震和小震的情况下都可以使用。且在风和地震循环荷载作用下温度升高不到10,对VED的力学特性影响很小;粘弹性阻尼器性能较稳定,在小变形情况下可经多次加载和卸载。

世界上第一个应用粘弹性阻尼器来减小土木工程结构风致振动的是美国的世界贸易中心双塔楼高层建筑,每个塔楼大约安装了10000个阻尼器。随后,1982年和1988年在美国的西雅图又先后建成了安装有260个和16个大型的VED的Columbia Center大楼和Two Square大楼,这些都是用来进行风振控制的。

VED用来减小结构地震反应的控制应用是在20世纪90年代。美国旧金山地区是地震高烈度区,为了增加1976年建的13层Santa Clara County钢框架大楼的地震安全性,在建筑中各立面的每一层都安装了两个VED。经测试,安装VED前建筑基本振型的阻尼比不到1%,而安装VED后基本振型的阻尼比达到了17%。第一个安装VED的钢筋混凝土建筑是位于美国圣地亚哥的三层海军设备供应大楼,经安装64个VED后的地震反应分析,效果很好。

 

4半主动控制

 

土木工程结构的被动耗能减振、主动和半主动控制的研究及应用取得了很大的进展,许多减振和控制装置已经在世界多幢结构的风振减振和地震反应控制中得到应用。其中,半主动控制因其具有的所需外加能源极小、装置简单、不易失稳且减振效果接近主动控制的特点而具有很大的应用潜力。常见的半主动控制系统有:主动调谐参数质量阻尼系统(ATMD) 、可变刚度系统(AVS) 、可变阻尼系统(AVD) 、变刚度变阻尼系统(AVS/D) 、磁流变(MR)阻尼器系统等。

下面主要介绍半主动控制刚度系统(AVS)。

1、半主动控制刚度系统的构造和原理

可变刚度系统由附加刚度部件、机械装置和控制器三部分组成,如图所示。

4-1   可变刚度系统示意图

一般情况下,附加刚度部件一端与结构固接,另一端或与结构连接、或与附加阻尼器连接。

当附加刚度部件△Ki的另一端A点与结构在B1点连接时,△Ki成为结构的一个刚度部件。此时,称可变刚度系统处于ON状态

当附加刚度部件△Ki另一端A与机械装置附加阻尼CiB2点连接时由于Ki的变形将导致附加阻尼△Ci的运动。此时,称可变刚度系统处于OFF状态。

半主动变刚度振动控制就是通过控制器接收由传感器测得的结构和(或)荷载的振动信息。根据事先设计的控制律进行运算,输出控制命令(即让可变刚度系统处于ON或OFF状态)给机械装置,实现对结构振动的有效控制。

2、半主动控制刚度系统的功能和优越性

半主动控制同时具有被动控制和主动控制的优点,它属于参数控制,不需提供控制力的能源或仅需极小的能量输入,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,实时改变结构的动力特性以减振,且装置简单;此外,由于半主动控制装置所提供的控制力总是与结构系统的运动方向相反,因此具有更好的鲁棒性和稳定性,减振效果接近主动控制;尤其当外加电源失效时,一般都可以等效地看作被动的耗能器继续发挥作用。日本已建成数十栋设置半主动控制装置的建筑,并显示出了良好的抗风抗震性能。

 

5主动控制

 

结构振动的主动控制是利用外部能源,在结构物受到外部激励而发生振动的过程中,瞬时施加控制力或瞬时改变结构的动力特性,以迅速衰减和控制结构的振动反应的一种减振技术。目前研究开发的控制力型主动控制装置主要有:主动调谐质量控制系统(AMD)、主动锚索控制系统(ATS)、气体脉冲发生器、主动可变系(AVSS)、空气动力附件系统、主动支撑系统(ABS)等。

1、主动控制刚度系统的构造和原理

主动控制系统主要由信息采集系统(传感器)、计算机控制系统(控制器)与主动驱动系统(作动器)等三大部分组成,如图所示。

 

4-2 主动控制系统的组成

其工作原理可表述为:传感器监测结构的动力响应和外部激励,将监测的信息送入计算机内,计算机根据给定的控制律算出应施加的力的大小,最后,由外部能源驱动,施加给结构所需控制力,进而达到控制结构响应的效果。

2、主动控制刚度系统的功能和优越性

主动控制是一种需要额外能量的控制技术,它与被动控制的根本区别是有无额外能量的消耗,是否具有完整的反馈控制回路。主动控制与被动控制相比有以下优点:

1)主动控制系统本身的摩擦系数小,为微小振动,因而控制效果更好;

2)TMD的滞后情况,反馈控制力可直接作用于建筑结构物,具有很强的控制性能;

3)TMD只能控制结构的一阶振型,但主动控制能够控制结构二阶乃至更高阶的振型;

4)只需调整控制装置软件参数就可直接使建筑结构的固有频率发生改变,而被动控制则需要调整控制设备,因此主动控制更简便。

结构振动主动控制的研究始于20世纪70年代,然而真正从理论和实践两个方面研究主动控制并应用到土木工程结构上,还只是1990年左右的事。1989年日本在京桥成和大厦首次采用了主动质量阻尼器。该建筑共14层,高33m,为一栋高宽比为8.25的扁形高层钢框架结构。如果按照传统抗震抗风设计,其水平刚度难以满足要求,故采用主动质量阻尼器,以减小强风和强震时结构的振动反应。该建筑从动工到竣工的三年里,经历了十余次地震,在地震中,结构及控制系统的反应均被记录下来,并被输入计算机进行数字模拟,模拟结果与实测结果吻合得很好,证明了所采用的分析方法与结构—控制模型是正确的。

 

6混合控制

 

混合控制是被动控制和主动控制的联合应用,使其协调共同工作,这种控制系统充分利用了两者各自的优点,既可以改变结构的振动特性,增加人工阻尼,又可以利用主动控制系统来保证控制效果,比单纯的主动控制能节省大量的能量,因此,有良好的工程应用价值。

AMDTMDTLD的混合控制,可采用以下方式:(1)中、小震采用AMD,大震时当控制力超出系统控制能力时,TMD亦参与;(2)TMD系统控制中、小震,大震时AMD参与;(3)对双向多维振动,分别采用AMDTMD

阻尼耗能和主动控制的混合控制这种控制方法一方面由于粘弹性阻尼器作用,大大减小了需要主动支撑控制系统所提供的控制力;另一方面,主动支撑控制系统的作用,大大提高了粘弹性阻尼器的阻尼比,减小了粘弹性阻尼器所承受的剪力,改善了其力学性能,提高了其使用寿命。

隔震系统与AMD的混合控制,主要有:(1)滑动隔震与AMD相结合的混合控制;(2)采用积层橡胶隔震AMD相结合的混合控制。混合控制既利用了切断地震传播路径的控制方法,又利用了主动控制对结构振动进行抑制的控制方法,因此效果理想。

                                                                                                                                                                                          负责人:***