結(jié)構(gòu)動力吸振技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

結(jié)構(gòu)動力吸振技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

動力吸振器dex-射線在地震和風(fēng)的作用下控制建筑物結(jié)構(gòu)的振動時(shí)，主要方法如下：（1）控制結(jié)構(gòu)的固有頻率，避免外部激勵(lì)的共振。（2）引入衰減或能源消耗單元，以降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最顯著值。（3）采取隔振措施，切斷從結(jié)構(gòu)部分傳遞的振動能量，并采用其他部分的傳播路徑。4.使用噪聲法將原始結(jié)構(gòu)的振動能量轉(zhuǎn)移并消耗。動力吸振器,也稱為調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TunedMassDamper,TMD),基本原理是在主結(jié)構(gòu)上附加一個(gè)單自由度子結(jié)構(gòu),通過選擇子結(jié)構(gòu)的形式、參數(shù)的取值以及與主結(jié)構(gòu)的耦合關(guān)系,使主結(jié)構(gòu)的振動狀態(tài)發(fā)生改變,進(jìn)而在期望的頻率范圍內(nèi)減小主結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。動力吸振器最早的工程應(yīng)用見于1909年Frahm在德國郵船上安裝的防振水箱,但是當(dāng)時(shí)并沒有明確它的基本構(gòu)造和原理。1928年J.Ormondroyd和DenHartog從上世紀(jì)中后期開始,人們的研究重點(diǎn)主要是通過改變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、利用特殊材料等來不斷尋求適合當(dāng)今技術(shù)發(fā)展要求的動力吸振技術(shù)。比如,多重動力吸振器、利用記憶合金和磁流變體等智能材料設(shè)計(jì)的新型吸振器。吸振器根據(jù)改變參數(shù)的不同分為3種:改變剛度、改變質(zhì)量和改變阻尼。傳統(tǒng)的用的最多的是改變剛度,例如通過改變一個(gè)或幾個(gè)參數(shù),如材料或支承點(diǎn)(軸承)的數(shù)量以及位置來改變旋轉(zhuǎn)軸的剛度。改變質(zhì)量這一措施的應(yīng)用還很少,因?yàn)樵谠S多實(shí)際情況中,質(zhì)量是不能輕易改變的,但特定結(jié)構(gòu)也可以改變,例如機(jī)械系統(tǒng)中,軸上飛輪的質(zhì)量是由它每轉(zhuǎn)一圈所存儲的能量決定的。動力吸振器根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)分成三類:被動式、半主動式和主動式。主動式是輸入外部能源,使執(zhí)行器能輸出外力干預(yù)結(jié)構(gòu)響應(yīng),進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)性能。執(zhí)行器可以是機(jī)械機(jī)構(gòu)、壓電式、氣動彈簧、液壓系統(tǒng)、電磁電機(jī)、電動馬達(dá)等,其作用力是通過算法來控制的,具有反應(yīng)快、精度高、適應(yīng)頻帶寬等優(yōu)點(diǎn),其不足之處在于,一旦控制算法運(yùn)行失敗,則會引起更大的振動甚至失穩(wěn)破壞。半主動吸振器一般是阻尼/剛度可控的,不給系統(tǒng)增加能量,且比主動式便宜,但需要振幅足夠大、相位適當(dāng)才能起到高效的吸振作用。2017年1月9日-13日,第16屆世界地震工程會議(16WCEE)在智利首都圣地亞哥召開。會議論文共有2130篇,其中keynote論文3篇,invited論文6篇,分111個(gè)主題(session)。動力吸振器(DynamicVibrationAbsorber,DVA)沒有單獨(dú)設(shè)個(gè)主題,而是主要分散在passivecontrolsystem,testing,monitoring&experimentalanalyses,isolationandenergydissipationdevices,retrofitandstrengthening,Japan’sprotectivesystemsafterthe2011Tohokuearthquake等幾個(gè)主題里。由于DVA技術(shù)的本質(zhì)共通性,筆者覺得有必要把它們提取出來,方便比較研究。據(jù)統(tǒng)計(jì),關(guān)于DVA共有約21篇文章,其中傳統(tǒng)被動TMD有11篇,慣性動質(zhì)量TMDI3篇,變液動質(zhì)量VMD3篇、半主動控制TMD2篇,帶有放大裝置的DVA2篇。這些文章基本能反映該技術(shù)的研究現(xiàn)狀。1外部激勵(lì)的影響圖1為動力吸振器系統(tǒng)示意圖,其中,m設(shè)外部激勵(lì)F=F定義解的形式是x由于吸振器的振幅遠(yuǎn)大于主振系統(tǒng)的振幅,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如何滿足吸振器質(zhì)量的大振幅要求,亦應(yīng)考慮彈簧k2tmd振動系統(tǒng)這是最基本的形式,即通過附加質(zhì)量與主體結(jié)構(gòu)的共振原理實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和消耗。但每個(gè)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)都存在特殊的限制和問題,需要不同的解決辦法。這部分共有11篇文章,以下分別介紹其創(chuàng)新點(diǎn):D.Siepe等同濟(jì)大學(xué)呂西林教授課題組提交了2篇文章,一個(gè)是LUZheng等TMD質(zhì)量除了需額外引入,還可由結(jié)構(gòu)自身構(gòu)造間接達(dá)成。例如R.Ding等該建筑存在平面、豎向、質(zhì)量等多種不規(guī)則以及太多潛在破壞點(diǎn),局部構(gòu)件及結(jié)構(gòu)整體均處于復(fù)雜、不均勻的應(yīng)力狀態(tài),地震風(fēng)險(xiǎn)特別高。經(jīng)研究,決定令渦輪發(fā)動機(jī)+弱限制樓板構(gòu)成一個(gè)TMD減震系統(tǒng)。模擬分析中,把發(fā)動機(jī)的20個(gè)支撐點(diǎn),每個(gè)賦予300t的質(zhì)量。分析表明,發(fā)動機(jī)若剛接,結(jié)構(gòu)整體位移滿足要求,但局部梁柱產(chǎn)生多個(gè)塑性鉸,且有層間位移超標(biāo)的軟弱層;而未優(yōu)化的TMD更可能造成局部放大。作者采用了TsaiandLin高層建筑的TMD抗震需要解決2個(gè)問題:(1)巨大的質(zhì)量塊的支撐以及近場地震;(2)高層建筑的固有周期導(dǎo)致的長周期擺動而引起的過大位移。建于1974年的東京的SinjukuMitsui大樓高220m,55層,是鋼結(jié)構(gòu)。為了減輕其地震振動和破壞風(fēng)險(xiǎn),H.Kurino等TMD的另一種形式是TLD,即調(diào)諧液體阻尼器(TunedLiquidDamper),即利用建筑物自身的附屬儲液設(shè)備,如水箱等作為TMD的質(zhì)量載體。TLD也存在著難以同時(shí)有效控制不同方向的多個(gè)振型的問題。為此,L.RozasT.等該設(shè)備可看做4個(gè)TLCD組合在一起,平面是環(huán)形-矩形的形狀,4個(gè)液柱共享液體,改變液體通道的長度就可改變2個(gè)不同方向的頻率。水平箱的中間設(shè)置小孔或約束,以改變液體的阻尼。沿一個(gè)主軸振動時(shí),另一個(gè)主軸方向不參與。文章根據(jù)Lagrangian動力學(xué)原理推導(dǎo)了圖6中減震結(jié)構(gòu)的方程,以及白噪聲激勵(lì)下的最優(yōu)參數(shù)表達(dá)式,最后做了一個(gè)3層縮尺結(jié)構(gòu)附加上述TLCD的振動臺試驗(yàn),驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的雙向TL-CD的有效性。本屆會議也少不了分布式/多個(gè)TMD(d-MTMD),如S.Elias等其它傳統(tǒng)形式的TMD研究還有:K.Murata等3tmdi的實(shí)現(xiàn)方式在一定范圍內(nèi),TMD質(zhì)量越大,抗振效果越好。有效抵御風(fēng)振,TMD的質(zhì)量達(dá)到建筑總質(zhì)量的0.5%~1%就可以了,但有時(shí)抗震需要更大的質(zhì)量,而較大的TMD質(zhì)量會帶來安裝、支撐、空間限制等一系列問題和難度。有一類被動形式的動力吸振器,叫做tunedmass-damper-inerter(TMDI),即常規(guī)形式的TMD耦合一個(gè)“慣性器”,解決了這個(gè)兩難問題。慣性器是2個(gè)終端的裝置,能在一個(gè)終端產(chǎn)生與相對加速度成比例的抗力而不需增加實(shí)際質(zhì)量。慣性抗力的比例常數(shù)可比慣性器本身質(zhì)量高2個(gè)數(shù)量級。解析和數(shù)值分析都證明,在隨機(jī)地震荷載下,線性的主體結(jié)構(gòu)的相對位移均方差經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)的TMDI的“質(zhì)量放大”后降低的程度超過常規(guī)TMDR.Ruiz等其中,比例系數(shù)b取決于慣性力的實(shí)現(xiàn)方式或途徑。對上述典型的4齒輪(n=4)傳動式齒條-飛輪TMDI來說:其中,m令m代表質(zhì)量,k為剛度(大寫的為矩陣),C為阻尼系數(shù),x為絕對位移,y為相對位移;下標(biāo)中s代表結(jié)構(gòu),d代表TMD,b代表慣性器,R為位置影響系數(shù),RTMDI的頻率比,阻尼比,慣性比,質(zhì)量比,慣性力分別為:R.Ruiz等另外,還有一種旋轉(zhuǎn)形式的慣性質(zhì)量阻尼器(rotationalinertialmassdamper),也是出于增加質(zhì)量、減震、減少常規(guī)阻尼器的安裝個(gè)數(shù)、空間和費(fèi)用的考慮。其原理也是將平移轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)位移,從而引起較大的慣性質(zhì)量,吸收主體結(jié)構(gòu)的振動能量而減震。其外形和內(nèi)部構(gòu)造如圖10所示,內(nèi)部兩端分別設(shè)有不同壓力的彈簧圈和摩擦板,通過扭矩與摩擦力的轉(zhuǎn)化關(guān)系控制阻尼器的滑動閾值,對過載進(jìn)行保護(hù)。M.Okamoto等這種形式的質(zhì)量阻尼器的慣性力出力如公式(8)所示。其中I為轉(zhuǎn)動慣量,D,d,L作者還用試驗(yàn)對吸振器的參數(shù)(等效質(zhì)量ψ和等效阻尼C可見,慣性力不僅位移相關(guān),也是頻率相關(guān)的,對頻率更敏感。慣性質(zhì)量阻尼器仍然是TMD,只不過是利用了質(zhì)量效應(yīng)。它仍然可以與其它傳統(tǒng)調(diào)諧和耗能手段相結(jié)合,以期達(dá)到更理想的減震效果。把兩者方法結(jié)合,作者對一個(gè)20層樓進(jìn)行了分析,證明了效果顯著。TMDI在下面這個(gè)實(shí)際工程問題中顯示了其優(yōu)勢:高架車站常常是一個(gè)輕質(zhì)的棚子、候車室、商店,比下面的高架橋等結(jié)構(gòu)輕幾十倍,在地震或其它動力荷載作用下響應(yīng)會非常大。如果僅僅是提高2層車站結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,使上下質(zhì)量比更均勻,那么整個(gè)結(jié)構(gòu)都需要重新設(shè)計(jì)。這種情況下,應(yīng)用慣性質(zhì)量就是一個(gè)好辦法:它在物理上并沒有增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量,只有在地震發(fā)生時(shí)才會起到調(diào)整“動質(zhì)量”的作用。目前該方法還沒有應(yīng)用到鐵路建筑上的實(shí)例,H.Miki等試驗(yàn)中,H.Miki等4變液動質(zhì)量吸振器vmd/wmd變質(zhì)量吸振器需要控制慣性力出力大小。傳統(tǒng)黏滯質(zhì)量阻尼限力(forcerestrictedviscousmassdamper,即FR-VMD)中力的傳遞是摩擦產(chǎn)生的。FR機(jī)制的缺點(diǎn)是:摩擦力最大值是常量,而且在較低的加速度和位移是也呈強(qiáng)非線性,要同時(shí)抵御大震和近場地震的非線性很復(fù)雜,而且操縱摩擦難度也大。當(dāng)用于基礎(chǔ)減隔震系統(tǒng)中時(shí),FR-VMD在限制位移的同時(shí),可能導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)加速度增大。因此,有學(xué)者提出用Binghamfluid(BF)機(jī)制取代FR機(jī)制,組成變液型黏滯質(zhì)量吸振器(BF-VMD)。BF-VMD有4個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù),一般用定點(diǎn)理論(fixed-pointtheory)固定某個(gè)參數(shù)后的方法設(shè)計(jì)。但定點(diǎn)理論在慣性質(zhì)量過大是可能不適用,而且BF機(jī)制也是非線性的。為此M.Ikenaga等R.Zhang等根據(jù)Malhotra方法,系統(tǒng)的周期、剛度、阻尼系數(shù)等參數(shù)可由下列公式計(jì)算:其中,下標(biāo)c和i分別代表對流和沖擊,下標(biāo)i代表儲液罐,ρ為液體密度。結(jié)構(gòu)的位移通過VMD的慣性輪(下標(biāo)d)和黏滯液體轉(zhuǎn)化為慣性力和阻尼力,慣性力、等效慣性質(zhì)量和阻尼系數(shù)如下:其中,r儲液罐內(nèi)液體波動的高度按下式計(jì)算:然后作者模擬分析了一般隔震的儲液罐和附加了VMD的隔震儲液罐在地震作用下的液體的波高響應(yīng)。結(jié)果表明,普通隔震在有些地震,特別是長周期豐富的地震中波高較高,基底剪力甚至超過非隔震儲液罐;而VMD不但能降低液體的震蕩波高,還能有效控制隔震層位移和基底剪力。N.Inoue等當(dāng)FR-VMD(TVMD)應(yīng)用到基礎(chǔ)減隔震時(shí),支撐彈簧的剛度要更大,才能與上部結(jié)構(gòu)解耦。而解耦會帶來位移放大效應(yīng)的退化,這就需要產(chǎn)生更大的質(zhì)量放大效應(yīng)來補(bǔ)償。對基礎(chǔ)減隔震,N.Inoue等5半主動控制試驗(yàn)高聳建筑在地震和風(fēng)振中有下列問題:大震下產(chǎn)生較大位移以及長周期、難以衰減的振動,因?yàn)橥ǔ＝Y(jié)構(gòu)自身阻尼較小。有時(shí)振動可能持續(xù)20min以上,這種振動引起的低周疲勞會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫和損傷。因此必須為結(jié)構(gòu)添加額外的阻尼。以前的做法主要是設(shè)置對角摩擦或液體阻尼斜撐,但這樣的阻尼常常要位移很大、或振動很強(qiáng)烈的時(shí)候才能啟動,適合MCE級別的地震下發(fā)生較大結(jié)構(gòu)響應(yīng)的情況,而對小振幅疲勞破壞和提高舒適度無益。對這種令小幅振動快速衰減、減少疲勞損傷的情況,更合適的提高阻尼的方法是TMD系統(tǒng)。但TMD在減震方面也有局限。(1)TMD自身位移常很大,難以找到這么大的安裝空間,且大位移造成吸振能力下降;結(jié)構(gòu)不同方向周期不同,TMD難以多向有效。P.HUBER(2)較大的TMD的阻尼可以有效地消耗大震時(shí)結(jié)構(gòu)的能量,但在日常的風(fēng)荷載下卻難以啟動,即,使用荷載下不起作用。這個(gè)問題,P.HUBER另一個(gè)半主動控制是智利的R.Zemp等在試驗(yàn)室對TMD+MRD的組合試驗(yàn)體進(jìn)行半主動控制試驗(yàn)?？刂品椒ㄊ?電流只有on/off兩檔,但TMD位移超過4cm時(shí)MDR被啟動,而當(dāng)位移小于4cm并持續(xù)10s時(shí)關(guān)閉。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在休眠狀態(tài)(地震波輸入)的前后60s仍做記錄。圖16是示意圖?？刂七^程是一個(gè)“準(zhǔn)-擬動力”過程,有3個(gè)步驟:(1)在21層建筑中,把試驗(yàn)體的MRD放在頂層,RTSM在14層(第2振型的節(jié)點(diǎn)),對控制建筑進(jìn)行地震響應(yīng)的數(shù)值分析,其中MRD根據(jù)Bingham模型本構(gòu)關(guān)系模擬(需要MRD的幾何尺寸、MR液體的黏滯系數(shù)和剪力強(qiáng)度、活塞的速度);(2)對應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)的、計(jì)算得到的上述MRD的名義位移,微分得到活塞速度,用半主動控制的方法施加到試驗(yàn)體的MRD上;(3)把測量的MRD實(shí)時(shí)位移帶入到MRD的Bingham模型,繼續(xù)對步驟1中的建筑繼續(xù)進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明,半主動控制的減震效果很穩(wěn)定,可將平均最大振幅降低10%~11%,RMS振幅19%。研究為MRD的實(shí)際推廣應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)。然后進(jìn)行了模擬分析,比較無TMD控制建筑、TMD+黏滯阻尼器控制、名義TMD+MRD控制的地震響應(yīng),表明2個(gè)控制方法都能有效減震,但后者更好。后者可將平均最大振幅降低14%~17%,RMS振幅24%~35%;若達(dá)到同樣的減震性能,后者比前者節(jié)省費(fèi)用40%。6地震彈性分析有時(shí)限于工程實(shí)際條件,各種減震方法常常不能發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn),比如由于響應(yīng)過小難以啟動;空間限制難以使用大尺度、大出力轉(zhuǎn)置等。這時(shí),專家們想出了機(jī)械放大機(jī)制來解決問題,如下面兩個(gè)例子:熱電廠的塔支鋼煙囪一般是從抗風(fēng)的角度設(shè)計(jì)的。但1995年Hyogo-kenNanbu(兵庫縣南部)地震中發(fā)現(xiàn),它們的性能是由抗震主導(dǎo),而不是抗風(fēng)主導(dǎo),因此需要抗震加固。Y.Miyajima等加固要求是:施工不能影響鋼塔正常使用;若可能,抗震控制系統(tǒng)最好安裝在鋼塔低層;加固后的性能要求是:PGA=300cm/s、PVA=70cm/s的地震下保持彈性。數(shù)值分析時(shí),考慮了4個(gè)模型:原結(jié)構(gòu)(N);塔身用黏滯阻尼器加固(SC);塔與鋼柱之間用黏滯阻尼器加固(CC);最底層每個(gè)柱肢用2個(gè)具有放大機(jī)制的控制系統(tǒng)加固(PT),即一種套索與調(diào)諧質(zhì)量混合的方法。套索臂的直徑為426mm,壁厚35mm,優(yōu)化設(shè)計(jì)表明,動質(zhì)量可達(dá)560t,動阻尼系數(shù)為0.7kN-s/mm。PT控制系統(tǒng)及其安裝示意圖,如圖18所示。復(fù)雜的分析表明,即使在每個(gè)點(diǎn)都安裝黏滯阻尼器,SC方案也只能把結(jié)構(gòu)的阻尼比提到6%,經(jīng)過各種連接和節(jié)點(diǎn)改造才可能提高到19%,但構(gòu)件屈服應(yīng)力比仍大于1,不能保證彈性狀態(tài)的要求;方案CC需要移去對角構(gòu)件,同樣不同滿足變形和應(yīng)力要求。而PT方案可以使阻尼比提高到14%,地震響應(yīng)降低40%,主要柱構(gòu)件的應(yīng)力從1.36降到0.99,其它構(gòu)件的應(yīng)力從1.2降到0.93,所有構(gòu)件都處于彈性狀態(tài)。減震阻尼形式多種多樣,但有時(shí)候會遇到一個(gè)問題:結(jié)構(gòu)的相對位移太小,難以觸發(fā)或充分發(fā)揮阻尼的作用。T.Saito等滑車的位移包括3個(gè)部分:傾斜段d其中,為了驗(yàn)證放大效應(yīng)的有效性,作者分別做了一個(gè)單層鋼架附加一個(gè)滑輪阻尼器的試驗(yàn)和一個(gè)1/20縮尺的20層建筑附加一個(gè)滑輪阻尼器的試驗(yàn),證明了滑輪的放大效應(yīng)、提高阻尼器耗能能力、降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的有效性。但是,雖然滑輪系統(tǒng)把位移放大了10倍對阻尼耗能有利,但同時(shí)也對結(jié)構(gòu)施加了10倍的力。另外遺憾的一點(diǎn)是:本文雖然示意圖上連接著有質(zhì)量的滑車,但實(shí)際上只將滑輪連接著無質(zhì)量的阻尼,沒有討論有附加調(diào)諧質(zhì)量的情況。所以嚴(yán)格地說這是一個(gè)阻尼耗能系統(tǒng),不是質(zhì)量阻尼吸振系統(tǒng)。如果能增加調(diào)諧質(zhì)量的研究內(nèi)容,也許更好。7質(zhì)量吸振器存在的問題本文總結(jié)介紹了16WCEE會議上關(guān)于動力吸振技術(shù)的