現(xiàn)代減震控制技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

現(xiàn)代減震控制技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計(jì)中國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，地震面積巨大。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)地震資料設(shè)計(jì)方法只是利用結(jié)構(gòu)組成的自身抗彎能力來(lái)被動(dòng)地減少地震的影響。在隨機(jī)性強(qiáng)、發(fā)生概率低的強(qiáng)震中，它是不經(jīng)濟(jì)和不全面的。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計(jì)是將結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)計(jì)得具有足夠的延性,在強(qiáng)震作用下這些部位形成穩(wěn)定的塑性鉸,依靠彈塑性變形來(lái)耗散地震能量。這種傳統(tǒng)的以“抗”為途徑的抗震設(shè)計(jì)方法在很多情況下是有效的,然而在強(qiáng)震作用下難以保證結(jié)構(gòu)不損壞,人員、設(shè)備、儀器的安全,不符合現(xiàn)階段的基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想。2筑結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中抵抗地震作用力現(xiàn)代抗震結(jié)構(gòu)用的是一種“以柔克剛”的思想,即在建筑結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中抵抗地震作用力。它可以從不同角度進(jìn)行分類,通常按控制系統(tǒng)是否需要外部能源和激勵(lì),可分為四類:被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制。2.1結(jié)構(gòu)控制基本原理被動(dòng)控制是指不需要輸入外部能源的控制技術(shù),其控制過(guò)程不依賴結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)信息及動(dòng)荷載信息,而是靠被動(dòng)地吸收或消耗輸入結(jié)構(gòu)的能量來(lái)達(dá)到減震的目的。被動(dòng)控制造價(jià)低廉,技術(shù)簡(jiǎn)單,性能可靠,是目前工程實(shí)際中應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)之一。被動(dòng)控制主要包括基礎(chǔ)隔震、耗能減震和吸能減震技術(shù),及其組合的聯(lián)合控制技術(shù)。2.1.1地表隔震層的利用基礎(chǔ)隔震技術(shù)是通過(guò)在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層來(lái)保證建筑物在地震時(shí)的安全和使用功能。這些裝置可以把建筑物上下部分完全或部分分割開(kāi),以改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性或動(dòng)力作用。并且在水平方向?yàn)槿嵝郧野l(fā)生較大變形的情況下,比較剛性而又穩(wěn)定地承受建筑物的重量。隔震層可設(shè)在結(jié)構(gòu)內(nèi)或結(jié)構(gòu)外。在結(jié)構(gòu)外設(shè)隔離層有兩種方法,一種方法是在結(jié)構(gòu)物四周挖很深的槽,可在槽中灌沙或埋入屏蔽板等,將長(zhǎng)周期為卓越的那部分表面波隔斷,但這種方法不能屏蔽直下型輸入波的輸入。另一種方法是采用軟弱地基。這種地基有減少地震輸入的效果,但是為了保證對(duì)建筑結(jié)構(gòu)有長(zhǎng)期支承能力,有必要對(duì)地基塑性位移的發(fā)生加以限制。隔震層還可設(shè)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部,這種結(jié)構(gòu)是現(xiàn)在普遍采用的結(jié)構(gòu),如在上部建筑物和基礎(chǔ)之間設(shè)摩擦滑移隔震層或橡膠隔震支座等。摩擦滑移隔震技術(shù)就是通過(guò)滑移或滾動(dòng)隔震層,容許建筑物在發(fā)生地震時(shí)相對(duì)于地面做整體水平滑動(dòng),從而限制地震作用向上部結(jié)構(gòu)的傳遞,并通過(guò)摩擦(及阻尼限位裝置)耗散地震能量來(lái)達(dá)到隔離地震的目的。這種摩擦隔震技術(shù)簡(jiǎn)單易行、造價(jià)低廉,其隔震效果主要取決于摩擦系數(shù),且受地面運(yùn)動(dòng)頻率特性的影響較小,幾乎不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。但是,純摩擦隔震層的滑移量大,且震后不能自動(dòng)復(fù)位。為克服上述缺點(diǎn),一種與土建相結(jié)合的短柱類隔震技術(shù)得到了發(fā)展。它綜合利用了摩擦耗能與彈塑性耗能的復(fù)合技術(shù),造價(jià)低廉,適合施工現(xiàn)場(chǎng)制作、安裝。橡膠隔震支座是二十世紀(jì)五十年代出現(xiàn)的一種使隔震技術(shù)走向成熟的新技術(shù),它利用橡膠墊較大的豎向剛度來(lái)承受上部結(jié)構(gòu)的荷載,并通過(guò)其自身的水平柔性來(lái)隔離水平地震作用向上部結(jié)構(gòu)的傳遞。目前,隨著國(guó)產(chǎn)橡膠墊產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)成功及產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的形成,橡膠墊隔震技術(shù)在我國(guó)已進(jìn)入批量推廣應(yīng)用階段,并成為隔震技術(shù)應(yīng)用的主流。據(jù)統(tǒng)計(jì),僅1997-2000年橡膠墊隔震建筑的數(shù)量占整個(gè)隔震建筑的90%以上。2.1.2滑動(dòng)滑動(dòng)法耗能減震技術(shù)是指通過(guò)一定手段,把地震能量削弱減小,使建筑結(jié)構(gòu)在地震中得到保全。我們知道在地震爆發(fā)前,地面下的活動(dòng)斷層下蘊(yùn)藏著巨大的能量。一種直接的消能法就是在活動(dòng)斷層上打深孔,往孔中注水,誘發(fā)小地震,釋放地震能量。這主要是水減小了斷層上下盤之間的摩擦,使之在較小的地震能量下產(chǎn)生滑動(dòng)。這種方法技術(shù)上不成熟,投資亦大,還沒(méi)有到實(shí)用階段。耗能減震技術(shù)通常采用的方法是在結(jié)構(gòu)中(或附著在結(jié)構(gòu)上)設(shè)置耗能構(gòu)件,即把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件(如支撐,連接件等)設(shè)計(jì)成消能構(gòu)件,或在結(jié)構(gòu)的某些部位(層間空間,節(jié)點(diǎn),連接縫等)裝設(shè)消能裝置。在風(fēng)或小地震作用時(shí),這些消能構(gòu)件處于彈性狀態(tài),使結(jié)構(gòu)物具有足夠側(cè)向剛度,當(dāng)出現(xiàn)中、強(qiáng)地震時(shí),消能構(gòu)件產(chǎn)生較大阻尼,大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量,使主體結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài),迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)(位移,速度,加速度)。這種技術(shù)一方面吸收了傳統(tǒng)的延性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想,同時(shí)又克服了延性構(gòu)件損壞后難以修復(fù)的缺點(diǎn),具有性能穩(wěn)定、技術(shù)條件簡(jiǎn)單、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)可靠等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)耗能機(jī)理的不同,耗能裝置可分為四類:粘滯耗能器、粘彈性耗能器、摩擦耗能器、金屬耗能器。2.1.3調(diào)諧質(zhì)量阻尼器吸能減震技術(shù)是由附加在結(jié)構(gòu)中的子系統(tǒng)吸收結(jié)構(gòu)的一部分振動(dòng)能量,以減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的控制技術(shù)。但是由于地震的隨機(jī)性,且地震波由各種頻率的波混合而成,調(diào)諧目標(biāo)只能控制結(jié)構(gòu)物的某些振型。目前吸能減震裝置主要包括調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)、調(diào)頻液體阻尼器(TLD)、液壓質(zhì)量控制系統(tǒng)(RMS)、質(zhì)量泵(MP)等。調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)是由彈性元件、阻尼器和質(zhì)量塊所組成的振動(dòng)系統(tǒng),將其固有頻率調(diào)整到接近于結(jié)構(gòu)的自振頻率,使結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)引起TMD共振,這時(shí)它的慣性力又反作用于結(jié)構(gòu)本身,起到減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的。1988年,Clark又提出用大量自振頻率分布于所控結(jié)構(gòu)模態(tài)自振頻率附近的小TMD振子來(lái)抑制模態(tài)的振動(dòng)?，F(xiàn)在TMD的慨念還在不斷擴(kuò)展,如適用于舊房增層和抗震加固的層間隔震技術(shù),以及利用頂部突出物如水箱、旋轉(zhuǎn)餐廳等來(lái)抑制高層、高聳結(jié)構(gòu)的鞭梢效應(yīng)等。調(diào)頻液體阻尼器(TLD)是利用容器中液體在晃動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)液壓力、液體的慣性力及粘性耗能而產(chǎn)生控制力,從而減小結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。TMD通?？膳c結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)水裝置結(jié)合使用,簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)可靠。2.1.4橡膠墊壓壓機(jī)聯(lián)合控制是將技術(shù)發(fā)展己比較成熟的基礎(chǔ)隔震技術(shù)與耗能減震(或調(diào)頻減震)技術(shù)結(jié)合起來(lái),這不僅能夠取得更好的控制效果,還拓寬了各項(xiàng)控制技術(shù)的適用范圍。比如橡膠墊與摩擦滑移機(jī)構(gòu)的聯(lián)合隔震技術(shù)。它綜合利用了摩擦滑移機(jī)構(gòu)的阻尼耗能及橡膠墊減小結(jié)構(gòu)水平剛度、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期的特性來(lái)取得好的隔震效果。這種技術(shù)有串連和并聯(lián)兩種。當(dāng)橡膠墊與摩擦滑移機(jī)構(gòu)串連時(shí),如地震時(shí)基底剪力未超過(guò)摩擦力,由橡膠墊起隔震作用;如基底剪力超過(guò)摩擦力,滑移層開(kāi)始滑動(dòng),在減震耗能的同時(shí)對(duì)橡膠墊起保護(hù)作用。當(dāng)橡膠墊與摩擦滑移機(jī)構(gòu)并聯(lián)時(shí),結(jié)構(gòu)重力由橡膠墊和滑移件共同承擔(dān),當(dāng)基底剪力大于滑動(dòng)摩擦?xí)r,橡膠墊就開(kāi)始發(fā)揮作用。由于風(fēng)載作用、結(jié)構(gòu)物的傾覆及地震后隔震系統(tǒng)殘余變形的影響,基底隔震技術(shù)在高層建筑中使用有很多問(wèn)題,且其對(duì)于豎向地震起不到減震的作用,采用聯(lián)合控制后則有可能突破上述限制。2.2電液兩相系統(tǒng)和控制裝置的應(yīng)用主動(dòng)控制是由外加能源對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力來(lái)減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的控制技術(shù),即通過(guò)傳感器采集結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)或外荷載信息,反饋至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理,由計(jì)算機(jī)按照一定的控制算法來(lái)計(jì)算施加控制力的大小,再通過(guò)電液伺服系統(tǒng)和控制裝置將控制力施加到結(jié)構(gòu)上,理論上可以根據(jù)人們的要求達(dá)到最佳的控制效果。但由于其需要外部能源、技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)高,因此其工程應(yīng)用開(kāi)展較晚。對(duì)于尺度很大的工程項(xiàng)目,由于需要消耗較多的能源,大量應(yīng)用的可能性不大,但對(duì)于一些需要保護(hù)設(shè)備、設(shè)施安全和減輕由于設(shè)備破壞引起次生災(zāi)害的特殊工程仍然很有效。建筑結(jié)構(gòu)常用的主動(dòng)控制方法是在結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)位置安裝作動(dòng)器拖動(dòng)附加質(zhì)量(AMD)或在結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝作動(dòng)器與彈性單元(錨索或稈件)施加控制力。2.3阻尼/剛度控制半主動(dòng)控制是控制過(guò)程依賴結(jié)構(gòu)的反應(yīng)信息和外激勵(lì)荷載,只需較小的外部能量使控制裝置發(fā)生工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,來(lái)改變控制系統(tǒng)的阻尼或剛度,從而減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的控制技術(shù)。與主動(dòng)控制相比,控制效果相當(dāng)且不需要很大的控制力。在建筑結(jié)構(gòu)中常用的半主動(dòng)控制裝置有:電流變和磁流變阻尼器。這種半主動(dòng)控制阻尼器(AVD)的特點(diǎn)是能夠通過(guò)控制電場(chǎng)和磁場(chǎng)在幾毫秒時(shí)間內(nèi)完成使阻尼器中的流變體實(shí)現(xiàn)自由流動(dòng)、粘滯流動(dòng)和半固態(tài)的交替變換,由于不需要伺服閥,從而避免了機(jī)械元件的不可靠和特別的維護(hù)要求。2.3.1磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)磁流變(Magneto-Rheological,簡(jiǎn)稱MR)阻尼器是一種使用可控流變液體的阻尼器。磁流變液體在外磁場(chǎng)作用下,液體的流變特性會(huì)發(fā)生急劇變化,它的最基本特征是:在外磁場(chǎng)作用下,可以在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)可逆地由流動(dòng)性能良好的牛頓液體變?yōu)榫哂幸欢羟星?qiáng)度的半固狀物質(zhì),這種微觀變化在宏觀上表現(xiàn)為由它做成的磁流變阻尼器的阻尼力發(fā)生巨大的變化?，F(xiàn)在開(kāi)發(fā)的磁流變阻尼器工作模式有流動(dòng)模式(Flowmode)、剪切模式(Shearmode)、擠壓模式(Squeezmode)三種,以及這三種基本模式的任何組合。2.3.2er的力學(xué)特性電流變(ER)智能材料是一類可控流體,在高壓電場(chǎng)的作用下,它可從牛頓流體變?yōu)榧羟星?yīng)力較高的粘塑性體,而且這種物理化學(xué)性態(tài)變化連續(xù)、可逆、迅速。ER是用不導(dǎo)電的母液(硅油或礦物油)和均勻散布在其中的固體電介質(zhì)顆粒(無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)半導(dǎo)體材料或高分子半導(dǎo)體材料)所制成的懸浮體。在電場(chǎng)作用下,ER會(huì)形成一束束由固體電介質(zhì)顆粒組成的纖維狀的“鏈”,橫架于正負(fù)二極之間。ER的力學(xué)性能主要表現(xiàn)為它在各種場(chǎng)強(qiáng)下的切應(yīng)力與應(yīng)變和應(yīng)變率的相互關(guān)系上。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大,轉(zhuǎn)變而成的粘塑性體的剪切屈服應(yīng)力也會(huì)增加,ER的這種特性稱為電流變效應(yīng)。電流變效應(yīng)中ER性能的轉(zhuǎn)變主要有以下3個(gè)特點(diǎn):連續(xù)性;可塑性;響應(yīng)速度快。2.4結(jié)構(gòu)體系組合為了提高控制效果,根據(jù)不同控制裝置的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的特性,將兩種或兩種以上的控制技術(shù)結(jié)合起來(lái),取長(zhǎng)補(bǔ)短,并通過(guò)參數(shù)的合理優(yōu)化配置得到更好隔震效果的控制技術(shù)就稱為混合控制技術(shù)。常用有基底隔震與主動(dòng)控制的組合,被動(dòng)阻尼減震與主動(dòng)控制的組合。第一種常用組合主要用于減少隔震層過(guò)大的位移。也有在隔震體系上部結(jié)構(gòu)設(shè)置層間主動(dòng)控制拉筋的研究,以減少上部結(jié)構(gòu)的層間相對(duì)位移。研究和應(yīng)用最多的混合控制體系(HMD,Hybridmassdamper)是主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量體系(AMD,Activetunedmassdamper)與被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD,unedmassdamper)的組合。在混合控制體系中,主動(dòng)控制裝置可采用主動(dòng)控制中的各種控制算法,但考慮到基底隔震建筑的強(qiáng)非線性特點(diǎn),相應(yīng)的主動(dòng)控制宜使用非線性魯棒控制。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)非線性控制等在混合隔震體系中的應(yīng)用已有研究?；旌峡刂企w系充分發(fā)揮了組合中不同控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),拓寬了控制體系的適用范圍,進(jìn)一步滿足了結(jié)構(gòu)安全性和功能性的要求。這符合未來(lái)防震減災(zāi)的發(fā)展方向-綜合的隔震減災(zāi)技術(shù)。3基礎(chǔ)隔震技術(shù)主要用于結(jié)構(gòu)抗震和抗經(jīng)過(guò)多年的研究和應(yīng)用證明,振動(dòng)控