結(jié)構(gòu)減震控制的技術(shù)發(fā)展

結(jié)構(gòu)減震控制的技術(shù)發(fā)展

結(jié)構(gòu)控制分為被動控制、主動控制、半自動控制和混合控制。被動控制采用隔震、吸震和耗能等技術(shù)減小結(jié)構(gòu)吸收的能量,從而達到減震的目的,它不需要外界能量輸入,且造價低,易于實現(xiàn),所以在實際工程中得到了廣泛的研究和應(yīng)用;主動控制系統(tǒng)需要外部提供能量,對結(jié)構(gòu)施加額外的作用力以減小結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng),這種控制方法的特點是效果顯著,在系統(tǒng)頻率范圍和控制效果上可以人為地進行較大的調(diào)整,但實現(xiàn)過程復(fù)雜,控制設(shè)備投資大;半主動控制原理與主動控制基本相同,但外部能量的需求量小于主動控制;混合控制系統(tǒng)是將主動控制系統(tǒng)和被動控制系統(tǒng)同時施加在同一個結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。目前,用于結(jié)構(gòu)振動被動控制的技術(shù)有:隔震技術(shù)、吸震技術(shù)(如調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)TMD、液壓質(zhì)量振動系統(tǒng)HMS、調(diào)諧蕩液阻尼振動系統(tǒng)TLD)和耗能技術(shù)等;主動控制方法有主動調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)AMD等;半主動控制裝置主要有主動變剛度系統(tǒng)和主動變阻尼系統(tǒng)。2被動結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用2.1剛度剛度變化基底隔震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)地面以上部分的底部設(shè)置隔離層,使之與固結(jié)于地基中的基礎(chǔ)頂面分隔開,使地震能量傳遞不到主體結(jié)構(gòu),從而達到減輕結(jié)構(gòu)振動的作用。隔震裝置具有可變的水平剛度,在強風(fēng)或微小地震時,具有足夠的水平剛度,上部結(jié)構(gòu)水平位移極小,不影響使用要求。在中等強度地震下,其水平剛度較小,上部結(jié)構(gòu)水平滑動,使剛性的抗震結(jié)構(gòu)體系變?yōu)槿嵝愿粽鸾Y(jié)構(gòu)體系,其固有自振周期大大延長,遠離下部結(jié)構(gòu)的自振周期和地面的場地特征周期,從而把地面振動有效地隔開,明顯地降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。基礎(chǔ)隔震技術(shù)簡單、性能可靠,但其適用范圍主要是中低層建筑,且不適用于風(fēng)振的控制。基礎(chǔ)隔震技術(shù)是國內(nèi)外研究應(yīng)用最早的被動控制方法,發(fā)展時間較長。因此,它是目前應(yīng)用最廣泛也是最成熟的一項結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。2.2能耗構(gòu)件或裝置耗能減震技術(shù)是把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件(如支承、剪力墻、連接件等)設(shè)計成耗能桿件,或在結(jié)構(gòu)的某些部位(如層間空間、結(jié)點、連接縫等)裝設(shè)阻尼器。在風(fēng)或小震作用下,這些消能構(gòu)件或消能裝置具有足夠的初始剛度,處于彈性狀態(tài),結(jié)構(gòu)物仍具有足夠的側(cè)向剛度以滿足使用要求。在強烈地震作用時,耗能構(gòu)件或裝置率先進入非彈性狀態(tài),從而保護主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件免遭破壞。耗能裝置的種類有阻尼器、耗能支撐、耗能墻等。阻尼器的種類有金屬阻尼器、摩擦阻尼器、粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器、復(fù)合型阻尼器;耗能支撐的主要形式有偏心耗能支撐、摩擦耗能支撐、圓環(huán)耗能支撐;耗能墻的主要形式有帶堅縫耗能墻、水平頂縫耗能墻和阻尼器耗能墻等。2.3結(jié)構(gòu)被動吸能減緩控制裝置吸能減震技術(shù)是通過附加的子結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)的振動發(fā)生轉(zhuǎn)移,即使原結(jié)構(gòu)的振動能量在原結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)之間重新分配,從而達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。附加的子結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量、剛度和阻尼,因而可以調(diào)整子結(jié)構(gòu)的自振頻率,使其盡量接近主結(jié)構(gòu)的基本頻率或激振頻率。這樣當(dāng)主結(jié)構(gòu)受激勵而振動時,子結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生一個與主結(jié)構(gòu)振動方向相反的慣性力作用在主結(jié)構(gòu)上,使主結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)衰減并受到控制。結(jié)構(gòu)被動吸能減震控制的裝置主要包括:調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TurnedMassDamper,TMD)、調(diào)諧液體阻尼器(TurnedLiquidDamper,TLD)、擺式質(zhì)量阻尼器、質(zhì)量泵、液體—質(zhì)量振動控制系統(tǒng)(HMS)和空氣阻尼器等幾種,其中TMD和TLD應(yīng)用較多。TMD利用質(zhì)量塊的慣性,增大結(jié)構(gòu)阻尼進行振動控制,其簡便易行,且行之有效。對于TMD應(yīng)盡可能將其設(shè)置于結(jié)構(gòu)振幅最大處以取得最好的效果,但對于電視塔這類結(jié)構(gòu)物,由于頂部需架設(shè)天線,使得TMD安裝在結(jié)構(gòu)物頂部比較困難,若將TMD安裝在適當(dāng)?shù)牟课灰材塬@得較為理想的效果。如上海嘉定電視塔總高138m,它選擇在標(biāo)高85.2m處水箱房兼作TMD控制室,對于隨機風(fēng)荷載作用下的位移可減小12%,效果比較顯著,而對于平穩(wěn)風(fēng)作用下的位移基本不起作用。3被動控制系統(tǒng)的研究在我國結(jié)構(gòu)振動控制目前多數(shù)應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)中,但隨著我國高層建筑特別是超高層建筑的發(fā)展,必將給結(jié)構(gòu)振動控制帶來更為廣闊的發(fā)展空間。目前,結(jié)構(gòu)抗震理論正在由確保結(jié)構(gòu)在地震襲擊下的安全性,向確保在地震襲擊下結(jié)構(gòu)功能正常發(fā)揮的方向發(fā)展。結(jié)構(gòu)控制在建筑結(jié)構(gòu)抗震中的地位越來越重要。今后一個時期內(nèi),結(jié)構(gòu)被動控制技術(shù)的研究和發(fā)展中面臨的主要問題是:1)多維地震動控制技術(shù)的研究,研究不僅能控制一維,而且能控制二維、三維及扭轉(zhuǎn)振動的技術(shù);2)新型高效、高衰減被動控制裝置的研究;3)適用于計算機、精密儀器等現(xiàn)代化辦公設(shè)備的地面隔震研究;4)既適用于高頻率的風(fēng)振或小震,又適用于罕遇大震的復(fù)合減震控制系統(tǒng)的研究;5)被動控制系統(tǒng)與主動控制系統(tǒng)等其他控制系統(tǒng)相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)的研究;6)被動控制系統(tǒng)在超高層結(jié)構(gòu)、核電站等特殊結(jié)構(gòu)中的技術(shù)研究和應(yīng)用;7)被動控制系統(tǒng)的維護、保養(yǎng)措施和耐久性能的研究;8)被動控制系統(tǒng)減震效果的定量設(shè)計控制問題;9)被動控制系統(tǒng)的使用可靠性研究;10)被動控制系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)研究:包括編制我國的減震技術(shù)規(guī)范,進一步推廣并正確指導(dǎo)應(yīng)用減震技術(shù)。近年來,人們又開始研究利用智能控制。結(jié)構(gòu)智能控制系統(tǒng)以智能材料和器件的應(yīng)用為突出標(biāo)志。可用于制作控制裝置的智能驅(qū)動材料主要有電(磁)流變液體、形狀記憶合金、壓電材料、磁滯伸縮材料、可收縮膨脹聚合膠體等。結(jié)構(gòu)智能控制系統(tǒng)主要有結(jié)構(gòu)磁流變阻尼控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)壓電驅(qū)動和壓電變摩擦阻尼控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)形狀記憶合金