結(jié)構(gòu)振動控制在大跨屋蓋中的應用

結(jié)構(gòu)振動控制在大跨屋蓋中的應用

一、結(jié)構(gòu)振動控制傳統(tǒng)的抗疲勞戰(zhàn)略被動地依靠自身的抗疲勞力，這需要增加對融資的影響，并導致更多的材料消耗。因此,合理有效的抗震途徑是采用結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù),由控制機構(gòu)吸收和消耗地震的能量,以調(diào)諧和減輕結(jié)構(gòu)的地震反應。結(jié)構(gòu)振動控制主要分為基礎(chǔ)隔震、消能減振(被動控制)、主動和半主動控制、混合控制,以及近年來發(fā)展起來的智能控制。其中,基礎(chǔ)隔震和消能減振是目前發(fā)展比較成熟的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。美、日等國陸續(xù)出臺了與之相應的規(guī)范或標準,標志著這些技術(shù)進入了推廣應用的實用化階段。我國在新修訂的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2001)中也增加了隔震和消能減振的設(shè)計內(nèi)容。目前,結(jié)構(gòu)振動控制的研究和應用主要集中在高層結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)和橋梁等結(jié)構(gòu)體系。為推動振動控制技術(shù)在空間結(jié)構(gòu)中的發(fā)展,從隔震和消能減振兩個方面綜述其在大跨屋蓋中的應用情況,可為今后該方面的工程設(shè)計提供參考。二、機場結(jié)構(gòu)體系中的實例隔震技術(shù)是通過在上部結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)之間設(shè)置某種隔震消能裝置,減小地震能量向上部的傳輸,從而達到減小上部結(jié)構(gòu)振動的目的。目前常用的隔震裝置有:疊層橡膠隔震墊、鉛芯橡膠支座、聚四氟乙烯支座、回彈滑動隔震系統(tǒng)、摩擦擺隔震體系等。這些隔震裝置已在體育場館、大跨度屋蓋等體系中獲得實際應用。下面列舉兩個工程實例:(1)美國舊金山國際機場候機廳主體結(jié)構(gòu)屋面采用鋼管桁架體系(圖1)?？拐鹪O(shè)計按100年一遇考慮,采用了由267個摩擦擺動式滑動支座組成的基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)。圖1(b)為該結(jié)構(gòu)采用的摩擦擺動式隔振支座,它是將鋼件安裝在凹型的非粘性表面,可提供水平位移508mm,豎向位移50mm。地震后,依靠建筑物的自重可使結(jié)構(gòu)復位。該建筑物是目前世界上最大的裝有隔震系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),隔震系統(tǒng)提供的隔震周期為3s,可將地震作用減小70%。(2)日本Nishikyogoku游泳館的屋面系統(tǒng)采用了張弦梁結(jié)構(gòu)體系(圖2)。游泳館的屋面與下部結(jié)構(gòu)支承處采用了三種支座形式:1)隔震支座;2)滑動支座;3)隔震支座加鋼阻尼器。圖2(b)所示為游泳館采用的隔震支座與鋼阻尼器的組合支座。分析表明,設(shè)置上述支座系統(tǒng)可有效減小由溫度變化和地震作用產(chǎn)生的響應。三、幾種常見的增強減振機構(gòu)消能減振是一種不需要外部能源的被動控制技術(shù),一般是指在結(jié)構(gòu)的某些部位附加耗能裝置或子結(jié)構(gòu)系統(tǒng),或?qū)Y(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件做構(gòu)造處理以改變結(jié)構(gòu)體系的動力特性。被動控制因其構(gòu)造簡單、造價低、易于維護且無需外部能源等優(yōu)點成為目前應用開發(fā)的熱點。許多被動控制技術(shù)已日趨成熟,并在實際工程中得到應用,如金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、鉛阻尼器、粘彈性阻尼器、粘性液體阻尼器等。大量工程實踐表明,在結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵部位安裝阻尼減震器可以很好地控制結(jié)構(gòu)在動力荷載(地震、風等)作用下的反應。下面通過工程實例說明消能減振技術(shù)在大跨屋蓋結(jié)構(gòu)中的應用情況。(1)天津市體育中心體育館采用雙層球冠形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),網(wǎng)殼跨度為108m,球冠矢高13.5m,矢高與跨度比為1∶8,球體本身內(nèi)半徑為114.75m,外半徑為117.75m,殼體厚度為3m,為跨度的1/36,上弦從支座向外呈切向延伸,使外懸挑部分構(gòu)成楔形殼體?？紤]到在各種受力狀態(tài)下,尤其是在地震和溫度變化條件下,網(wǎng)殼的反復變形不應造成對主體結(jié)構(gòu)的傷害,沿網(wǎng)殼周邊懸挑部位的下部設(shè)置了96個“伸縮節(jié)”(圖3(a)),伸縮節(jié)大樣如圖3(b)所示。利用伸縮節(jié)可調(diào)節(jié)由于溫差產(chǎn)生的變形,在地震中可以減震,是一種新型理想的減震機構(gòu)。(2)日本福岡開閉式體育場(圖4)為日本建造的第一座超大型開合式屋蓋的體育場,整個體育場呈圓形,由三段覆蓋直徑為222m空間的鋼結(jié)構(gòu)屋頂、支承屋蓋并可旋轉(zhuǎn)移動的行走臺車、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的圓環(huán)形軌道梁和主要部分為鋼骨混凝土的下部結(jié)構(gòu)構(gòu)成。屋頂結(jié)構(gòu)為三角網(wǎng)格狀平行桁架。各片屋面的桁架高為4m,屋面跨度為107m。上下弦桿采用H型鋼,腹桿、撐桿采用鋼管。現(xiàn)場全都采用高強度螺栓連接。三片屋頂設(shè)計成各自獨立的結(jié)構(gòu)體系來抵抗外力,各片屋頂相互間最小間隔為500mm。為防止強烈地震時振幅較大的屋頂部位相互碰撞,在屋頂頂部旋轉(zhuǎn)中心處設(shè)置了油壓減震器,見圖4(d)。分析結(jié)果表明,利用設(shè)置在屋蓋頂部的阻尼減震器可將動力荷載反應量降低到65%。另外,為了防止臺風、地震時屋頂移動,在預設(shè)的可移動屋蓋的停車位置上,設(shè)置了具有先進減振功能的鎖定栓,用于約束振動時的移動和滑動。(3)美國新太平洋西北棒球場為一開合式屋蓋結(jié)構(gòu),采用大型空間桁架作為開合屋蓋單元的受力支承體系。為了減小結(jié)構(gòu)在風和地震作用下的反應,在每榀大型門式桁架的北側(cè)柱子上設(shè)置了阻尼器,如圖5所示。門式桁架是兩種由型鋼組成的空間正、反三角形截面鋼架,阻尼器布置在單桿側(cè),門式桁架柱單桿上端通過阻尼器與桁架梁單桿相連。阻尼器是一個內(nèi)含液體的活塞式粘性阻尼器,每個阻尼器直徑為45.7cm,與阻尼器對應的雙桿與桁架梁的連接為鉸接。在荷載作用下,鉸可發(fā)生轉(zhuǎn)動,能量由阻尼器吸收。這個裝置可以吸收大量風荷載和地震荷載能量。(4)日本長野市奧林匹克競技館為鋼木混合的半剛性懸吊結(jié)構(gòu),如圖6所示。屋頂結(jié)構(gòu)由若干個基本單元構(gòu)成,每一單元跨度80m,寬度18m,垂度5m,中央單元離底層地面43.45m,兩側(cè)的單元以3m為高差漸次由高至低呈緩落形狀,相鄰單元互相重疊3.6m。為保證風作用下屋面的穩(wěn)定性,控制屋面變形,在該結(jié)構(gòu)的屋面系統(tǒng)中安裝了油阻尼器,如圖6(b)所示。油阻尼器安裝在懸吊屋蓋相鄰單元重疊處的四個角點以及靠山墻的懸吊屋面板與抗風梁之間的連接處。分析結(jié)果表明,安裝油阻尼器后減振效果非常明顯,系統(tǒng)阻尼由原來的1%增大為5%左右,屋蓋振動響應明顯減小,同時保證了結(jié)構(gòu)的抗風穩(wěn)定性。(5)日本四季滑雪館是世界上最大規(guī)模的室內(nèi)人工滑雪場。全長490m,寬約70~100m,長度方向兩端高差約80m。考慮到溫度及地震發(fā)生時的扭轉(zhuǎn)與應力集中,把整個建筑用結(jié)構(gòu)縫分成6個區(qū)段,在高層部分鋼結(jié)構(gòu)的四個區(qū)段設(shè)置了鼓形減震器,布置位置見圖7(a)。減震器在一個結(jié)構(gòu)縫的滑雪面下有4處,共12處,每一處有上下2個組合,共用24個。每處減震器的安裝如圖7(b)所示。為增加阻尼效果,把碳素鋼鍛成實心的鼓形,這種形狀可以對所有方向的外力都發(fā)生作用。為了盡量不使由區(qū)段間上下方向的位移差形成軸力,把水平方向兩端分別通過鉸接的接桿與相鄰區(qū)段相接,減震器本身不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。通過設(shè)置結(jié)構(gòu)縫減震器,既能吸收振動的能量又可以有效地降低區(qū)段間的相對位移。分析表明,采用上述減震器可使地震時各區(qū)段的相對位移和剪力反應值降低1/2到1/5。(6)臺灣龍舟火車站屋面為一大跨懸索結(jié)構(gòu)(圖8),為抑制屋面在風激勵下的過大響應,沿站臺支承柱與屋面連接處分布了8個粘彈性阻尼器,阻尼器原型如圖8(b)所示。風洞試驗與理論分析表明,該阻尼器系統(tǒng)能有效減小大跨懸索屋頂?shù)娘L荷載反應。四、結(jié)構(gòu)體系的復雜性雖然振動控制技術(shù)在大跨空間結(jié)構(gòu)體系中有一些零散的應用,但研究程度遠沒有形成系統(tǒng)理論。究其原因主要有如下幾點:(1)大跨空間結(jié)構(gòu)形式多樣,不象多、高層房屋具有規(guī)整的結(jié)構(gòu)體系,因此很難尋求統(tǒng)一的形式。(2)空間結(jié)構(gòu)自由度數(shù)高,動力特性復雜,頻率及振型分布密集。(3)結(jié)構(gòu)振動具有三維特性,不能只局限于控制單