結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制隨著建筑科技知識(shí)的發(fā)展和人類的需求，規(guī)模宏大、形式創(chuàng)新、技術(shù)先進(jìn)的空間結(jié)構(gòu)在世界各國誕生。大跨結(jié)構(gòu)通常比較柔性、阻尼比很低,因此,在動(dòng)力荷載(如風(fēng)和地震)作用下,會(huì)發(fā)生比較大的振動(dòng),影響到結(jié)構(gòu)的正常使用及安全;傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有時(shí)很難解決問題。振動(dòng)控制技術(shù)是目前土木工程抗風(fēng)與抗震研究中一個(gè)十分活躍的領(lǐng)域。對(duì)結(jié)構(gòu)施行振動(dòng)控制技術(shù),由控制機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)共同承受地震作用,能夠調(diào)諧和減輕結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制按是否有外部能源輸入分為:被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制及混合控制。其中被動(dòng)控制由于無需外部能量供給,工作條件要求較低,且工作性能的穩(wěn)定性容易保證等優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際工程中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。從控制機(jī)理上講,被動(dòng)控制技術(shù)有3種基本途徑:隔震、消能減震和質(zhì)量調(diào)諧減震。本文基于以上3類途徑,系統(tǒng)介紹大跨結(jié)構(gòu)中被動(dòng)控制技術(shù)的研究與應(yīng)用情況,并就各類技術(shù)與裝置的特點(diǎn)與發(fā)展前景進(jìn)行探討。1隔震裝置的組成結(jié)構(gòu)隔震的本質(zhì)是將結(jié)構(gòu)與可能引起破壞的地面運(yùn)動(dòng)分離開。其原理是通過在上部結(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(dá)到減小上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。一般具有以下基本特性:承載特性、隔震特性、復(fù)位特性、阻尼消能特性、良好的抗疲勞和抗老化特性,較好的耐久性和耐火性。目前常用的隔震裝置有:疊層橡膠支座(包括無鉛芯橡膠支座、加鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等)、聚四氟乙烯支座、回彈滑動(dòng)隔震系統(tǒng)、摩擦擺隔震體系、球形鋼支座等。這些隔震裝置已在體育場(chǎng)館、大跨度屋蓋等體系中獲得實(shí)際應(yīng)用(表1)。2能耗支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件、非承重構(gòu)件或結(jié)構(gòu)某些部位(如結(jié)點(diǎn)、連接縫等)設(shè)置消能部件,這些部件通常由阻尼器、耗能支撐等組成。阻尼器的種類有金屬阻尼器、摩擦阻尼器、鋼彈塑性阻尼器、鉛阻尼器、黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器(圖11)、黏性液體阻尼器(圖12)、復(fù)合型阻尼器、記憶合金耗能器等;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)耗能支撐等。消能部件通過產(chǎn)生彈塑性滯回變形,吸收并消耗地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量,達(dá)到減震控制的目的。在風(fēng)或小震作用下,這些消能構(gòu)件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。當(dāng)出現(xiàn)中、大地震時(shí),消能構(gòu)件或裝置率先進(jìn)入消能狀態(tài),其消耗的能量可占輸入結(jié)構(gòu)的地震能量?jī)?nèi)的90%,從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在強(qiáng)烈地震中免遭破壞。工程實(shí)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)在地震、風(fēng)等動(dòng)力荷載作用下的反應(yīng)(表2)。3建筑實(shí)際應(yīng)用效果結(jié)構(gòu)消能技術(shù)體系除了在大跨空間結(jié)構(gòu)中的抗震減震中得到實(shí)際應(yīng)用外,在體型復(fù)雜建筑、有薄弱層建筑的改良、舊有建筑的抗震或抗風(fēng)性能改善提高等方面也得到應(yīng)用,且取得良好的效果(表3)。4建筑結(jié)構(gòu)體系自身的特點(diǎn)導(dǎo)致消能裝置布置困難在結(jié)構(gòu)體系中設(shè)置耗能元件,為結(jié)構(gòu)提供較大的阻尼,通過耗能構(gòu)件能有效吸收地震動(dòng)及其它能量輸入;然而,一些結(jié)構(gòu)體系比較復(fù)雜或由于建筑結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)給消能裝置的布置帶來一定的困難。因此,國內(nèi)外已有實(shí)際工程充分發(fā)揮隔震與消能技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn),使其在結(jié)構(gòu)中得到有效運(yùn)用(表4)。5子結(jié)構(gòu)受激勵(lì)的影響調(diào)諧減震控制技術(shù)是通過附加的子結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)移,即使原結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量在原結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)之間重新分配,從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)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)的基本頻率或激勵(lì)頻率。這樣,當(dāng)主結(jié)構(gòu)受激勵(lì)而振動(dòng)時(shí),子結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dòng)反應(yīng)衰減并受到控制。目前常用的調(diào)諧減震控制裝置有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TurnedMassDamper,TMD)和調(diào)諧液體阻尼器(TurnedLiquidDamper,TLD、TLCD),擺式質(zhì)量阻尼器、質(zhì)量泵和液體—質(zhì)量振動(dòng)控制系統(tǒng)(HMS)和空氣阻尼器等幾種。從目前的研究狀況來看,調(diào)諧減震技術(shù)因其本身特點(diǎn),一般只能控制一個(gè)或有限個(gè)振型,而空間結(jié)構(gòu)自由度數(shù)高,動(dòng)力特性復(fù)雜,頻率及振型分布密集,因此,其在大跨空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用受到一定的限制(表5),實(shí)際工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用相對(duì)來說不是很多,有關(guān)其適用性及減震效果還有待更進(jìn)一步探索。6結(jié)構(gòu)體系內(nèi)消能技術(shù)的應(yīng)用前景本文綜述了被動(dòng)控制技術(shù)的原理與特點(diǎn),通過列舉實(shí)例探討其在大跨空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。主要?dú)w納如下:(1)隔震技術(shù)能有效釋放結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力作用,調(diào)諧結(jié)構(gòu)內(nèi)力;在減輕結(jié)構(gòu)的地震、風(fēng)響應(yīng)方面能取得良好效果。(2)通過適當(dāng)措施,隔震技術(shù)能使結(jié)構(gòu)具有少量位移、轉(zhuǎn)動(dòng)能力,釋放結(jié)構(gòu)部分內(nèi)力,降低工程造價(jià)。(3)消能技術(shù)能有效耗散結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的能量,增大結(jié)構(gòu)阻尼,并調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)溫差產(chǎn)生的變形。(4)消能技術(shù)在大跨結(jié)構(gòu)抗震加固改造中能產(chǎn)生顯著效果,帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。(5)消能與隔震技術(shù)在實(shí)際工程中的聯(lián)合運(yùn)用,控制效果顯著,實(shí)際工程應(yīng)予以重視。(6)調(diào)諧技術(shù)因其本身特點(diǎn),控制振型有限,其控制措施及有效方法有待進(jìn)一步研究。(7)隔震技術(shù)主要針對(duì)短周期結(jié)構(gòu)而言,對(duì)于中長(zhǎng)周期的結(jié)構(gòu)隔震研究與應(yīng)用目前比較空缺。(8)結(jié)構(gòu)振動(dòng)具有三維特性,隔震措施不能只局限于控制單一方向,多維及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的控制技術(shù)將成為研究的焦點(diǎn)。大跨空間結(jié)構(gòu)自由度數(shù)高、節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)多,動(dòng)力特性復(fù)雜,結(jié)構(gòu)形式多樣,消能布置難于確定,其最優(yōu)控制部位很難尋求統(tǒng)一的形式;然而,結(jié)構(gòu)