結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐

結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐

傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的抗強(qiáng)設(shè)計(jì)方法基于概率論，提出了三個(gè)層面的防御要求。換句話說(shuō)，“小地震沒(méi)有得到破壞，中震可以得到修復(fù)，大地震不能回來(lái)”。傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系,容許結(jié)構(gòu)及承重構(gòu)件在地震中出現(xiàn)損壞,即依靠結(jié)構(gòu)及承重構(gòu)件的損壞消耗大部分能量,往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震中嚴(yán)重破壞甚至倒塌。為了克服傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法的缺陷,結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái),并被認(rèn)為是減輕結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的有效手段。1結(jié)構(gòu)控制的減振機(jī)理“結(jié)構(gòu)控制”這個(gè)設(shè)計(jì)思維的革命性突破,在土木工程界中是J·T·P·Yao1972年首先系統(tǒng)地提出來(lái)的;可以簡(jiǎn)單表述為:通過(guò)在結(jié)構(gòu)上安裝控制機(jī)構(gòu),由控制機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)共同承受振動(dòng)作用,以調(diào)諧和減輕結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng),使它在外界干擾作用下的各項(xiàng)反應(yīng)值被控制在允許的范圍內(nèi)?；诖硕x,結(jié)構(gòu)控制的減振機(jī)理,可以簡(jiǎn)單地用一個(gè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程予以說(shuō)明:MX??(t)+CX??(t)+KX(t)=F(t)?MLX??g(t)(1)ΜX??(t)+CX??(t)+ΚX(t)=F(t)-ΜLX??g(t)(1)其中,M、C、K分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣;F(t)為外部作用,I是元素為1的列向量;X??gX??g是地面的地震加速度;X??(t),X??(t)X??(t),X??(t)分別為結(jié)構(gòu)在外部作用下的加速度,速度和位移反應(yīng)。結(jié)構(gòu)控制就是通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率W或自振周期T或增大阻尼C,或施加外力F(t),以大大減少結(jié)構(gòu)在地震(或風(fēng))作用下的反應(yīng)。求解(1)式,使X???X˙?XX???X˙?X滿(mǎn)足正常狀態(tài)下結(jié)構(gòu)允許反應(yīng)值,即可確保結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)中的人,設(shè)備及裝修設(shè)施等的安全和處于正常使用狀態(tài)。2結(jié)構(gòu)控制interpersonal從結(jié)構(gòu)控制機(jī)理的角度出發(fā),對(duì)不同的部分進(jìn)行控制有不同的控制方法。(1)消振是通過(guò)減弱振源振動(dòng)強(qiáng)度而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的方法。(2)隔振是通過(guò)隔離層,將振源與結(jié)構(gòu)隔開(kāi),目的在于減小改變振源對(duì)結(jié)構(gòu)作用強(qiáng)度和方式,以此來(lái)減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)。隔振是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。(3)吸振和阻尼減振是通過(guò)附加子系統(tǒng),使結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量轉(zhuǎn)移或消耗振動(dòng)能量為目的的減振手段。這種技術(shù)能降低結(jié)構(gòu)共振區(qū)的反應(yīng)和寬頻帶隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)值。依據(jù)是否需要外界能源,結(jié)構(gòu)控制分為4類(lèi):(1)被動(dòng)控制系統(tǒng)(PassiveControlSystem),無(wú)需外部能源驅(qū)動(dòng),單純地依靠控制裝置和結(jié)構(gòu)相互作用提供控制力。(2)主動(dòng)控制系統(tǒng)(ActiveControlSystem),需要大功率的外部能源來(lái)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器,控制力由測(cè)到的激勵(lì)和(或)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的反饋決定。(3)半主動(dòng)控制系統(tǒng)(Semi-activeControlSystem),以被動(dòng)控制為主,只在結(jié)構(gòu)反應(yīng)達(dá)到界限值時(shí),施加少量能量,能控制系統(tǒng)切換工作狀態(tài),其硬件簡(jiǎn)單,無(wú)需在線計(jì)算,穩(wěn)定性和可靠性好。(4)混合控制系統(tǒng)(CombinationControlSystem)在結(jié)構(gòu)上同時(shí)施加主動(dòng)和被動(dòng)控制,作為整體分析其響應(yīng),以克服純被動(dòng)控制的應(yīng)用局限,減小控制力同時(shí)減小外部設(shè)備的功率、體積、能源和維護(hù)費(fèi)用,增加系統(tǒng)的可靠性。依據(jù)控制力調(diào)整方式不同,結(jié)構(gòu)控制分為3類(lèi):(1)開(kāi)環(huán)控制(Open-Loop-Control),僅由外界荷載變化調(diào)整,被動(dòng)控制多為此種控制。(2)閉環(huán)控制(Close-Loop-Control),依據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)前反應(yīng)值和估計(jì)值調(diào)整。(3)開(kāi)閉環(huán)控制(OpenandClose-Loop-Control),同時(shí)感受外界荷載和結(jié)構(gòu)反應(yīng)的變化,能夠理想地控制結(jié)構(gòu)振動(dòng),但工程實(shí)現(xiàn)困難。3在結(jié)構(gòu)控制領(lǐng)域的應(yīng)用控制裝置3.1小體積、小能量、低能耗的振動(dòng)方法被動(dòng)控制的設(shè)計(jì)思想就是采用直接減少(消振)、隔離(基礎(chǔ)隔震)、轉(zhuǎn)移(吸振減震)、消耗(耗能減震)能量等方法達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)目的。由于易于工程實(shí)現(xiàn),受到工程界普遍重視,因而起步早,應(yīng)用廣泛。被動(dòng)控制技術(shù)主要包括基礎(chǔ)隔震、吸振技術(shù)和耗能技術(shù)3種。(1)隔振裝置分類(lèi)基礎(chǔ)隔震裝置是在建筑物基底設(shè)置柔性裝置,以減弱震源對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用,根據(jù)隔振裝置不同,可分為如下幾種:①滾子隔振系統(tǒng);②橡膠墊隔振;③鋼滯變阻尼器隔振;④鉛塞滯變阻尼器隔振;⑤基底滑移隔振;⑥“軟著陸”隔振系統(tǒng);⑦懸吊隔振;⑧組合機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)隔震。(2)過(guò)彈簧系作用到結(jié)構(gòu)吸振減震是在主體結(jié)構(gòu)上附加子系統(tǒng),以減小主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。吸振器包括質(zhì)量系和彈簧系小振動(dòng)系統(tǒng)。質(zhì)量系相對(duì)運(yùn)動(dòng)的慣性力作為控制力,通過(guò)彈簧系作用到結(jié)構(gòu)。質(zhì)量系分為有液體和固體阻尼器。①質(zhì)量系為固體的,有被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(PassiveTunedMassDamper.縮寫(xiě)P-TMD),擺式質(zhì)量阻尼器,多結(jié)構(gòu)聯(lián)系體系,懸掛結(jié)構(gòu)等。②質(zhì)量系為液體的,有調(diào)諧液體阻尼器(TLD),質(zhì)量泵,液壓阻尼系統(tǒng)(HDS),油阻尼器等。③質(zhì)量系包括固體和液體的,有液壓質(zhì)量控制系統(tǒng)、(HMS)擺、油阻尼器(POD)等。(3)能耗器消耗能量耗能減震技術(shù)是將結(jié)構(gòu)的某些部件設(shè)計(jì)成耗能部件或安裝一些耗能器來(lái)消耗能量。這種技術(shù)主要包括:粘彈性能阻尼器,摩擦耗能阻尼器,金屬耗能阻尼器等。其中鋼梁阻尼器和鉛塞阻尼器已獲得廣泛應(yīng)用,如新西蘭Wellington某警察所。3.2a-tmd主動(dòng)控制技術(shù)主動(dòng)控制技術(shù)就是對(duì)輸入地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤和預(yù)測(cè),再按照分析計(jì)算結(jié)果應(yīng)用伺服加力裝置(致動(dòng)器或執(zhí)行器)對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié),使結(jié)構(gòu)在地震和其它動(dòng)力作用下的響應(yīng)受到控制,在允許的范圍內(nèi)達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)和設(shè)備避免遭損傷的目的。主動(dòng)控制技術(shù)包括:主動(dòng)控制調(diào)諧質(zhì)量控制系統(tǒng)(AMD),主動(dòng)錨索控制系統(tǒng)(ATS),主動(dòng)支撐系統(tǒng)(ABS)等。世界首例A-TMD為日本京橋和成大廈,使頂層位移減少50%-60%。我國(guó)在土建結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制方面研究主要集中在分析設(shè)計(jì)方法和模型試驗(yàn)等方面。3.3半主動(dòng)控制整合半主動(dòng)控制一般以被動(dòng)控制為依托,僅需少量的能量用于改變被動(dòng)控制系統(tǒng)的參數(shù)或工作狀態(tài),以適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)最優(yōu)狀態(tài)的跟蹤從而取得較好的控制效果。半主動(dòng)控制兼有被動(dòng)控制和主動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn),因此比較適合于工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防。常見(jiàn)的半主動(dòng)控制裝置包括:隔板孔洞可調(diào)節(jié)的柱型液體阻尼器(TLCD),半主動(dòng)變剛度裝置(AVS),半主動(dòng)變阻尼裝置以及主動(dòng)調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(ATMD)等。半主動(dòng)控制研究和應(yīng)用,日本和美國(guó)處于領(lǐng)先地位。3.4混合控制技術(shù)混合控制是將主動(dòng)控制系統(tǒng)和被動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)施加在同一個(gè)結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng),這樣主動(dòng)控制僅需提供較小的能量就可以有效地控制結(jié)構(gòu)。目前出現(xiàn)的混合控制技術(shù)有:主動(dòng)質(zhì)量阻尼控制系統(tǒng)(AMD)和質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(TMD),調(diào)諧液體阻尼系統(tǒng)(TLD)的混合控制;阻尼耗能(VEDamper)和主動(dòng)控制(ABS)的混合控制;隔震系統(tǒng)和主動(dòng)控制系統(tǒng)(AMD)的混合控制等。日本已建成的20多棟主動(dòng)控制房屋絕大多數(shù)采用混合控制方法。在國(guó)內(nèi),混合控制系統(tǒng)研究主要集中在混合TMD控制系統(tǒng)和主動(dòng)基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)。4結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究展望建筑結(jié)構(gòu)控制的研究和應(yīng)用需要將傳統(tǒng)的建筑技術(shù)與現(xiàn)代的高新技術(shù)相結(jié)合,使結(jié)構(gòu)的安全保障成為智能結(jié)構(gòu)的重要組成部分,為人類(lèi)營(yíng)造一個(gè)更安全舒適的工作環(huán)境。因此,結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究和應(yīng)用有著廣