（水工结构工程专业论文）偏心结构利用调液阻尼器减震控制的研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 无论从理论分析还是从震鲁现象看，结构在地震作用下的反应，除了发生平移振动 终，还珂# 会发生翅转撅动。弓l 起扭转振动的蒙殿，一熬地蟊运动存在转动分量，或地 震对地面各点的运动存在着相位蕴；二照结构本身存在偏心，即结构的质量中心与剐度 中心不稷重会。震害表嬲，扭转传用会加重结构熊破坏，尤其是对子偏心结梅，农蔡些 情况下将成为导敬结构破坏的主疆因素。因此，偏心结构在地震作用下的扭转耦联振动 的控制闻题有缀霪要的实际应用懑义。本论文以此为背爨，幂4 用调液阻艨器来控俸偏心 结构在地震作用下的扭转耦联搬动，主袋进行了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 环形调液阻尼器对结构平移扭转耦联振动控制的参数研究。蓠先建擞起环 形调液阻尼器( e r l c d ) 的运动方程，基于等价线性化的原刚，将环形调液阻弼器的 4 线性阻尼线性化。对缝扭转搬动情况下，对环形调波阻尼器的最优参数问题进行研 究，得捌了解析表达式。分剐针对结构的纯扭转振动和瓤转耦联振动，推导出等效阻露 比的表达式，分析了控镥4 系统的参数对羧制效果的影响。结果表明。环形调液阻慰器是 一种有效的扭转振动控秘装置。 ( 2 ) 提出了剥用调液柱型阻尼器( t l c d ) 耱环形调液阻腿器( c t i l d ) 采控制 偏心结构在双翻地震动作用下扭转耦联搬动静方法。利用随机振动理论，推导出滴液阻 尼器一绫构体系在地震作用下随机响应的表达式。基于遗传算法，给出了控制系统的相 关参数的优化设计方法。计算绪采表碉，当优化的目标灏数考虑副结构每个自由发的反 应时，结构的平移反应朝扭转反虚都能得到有效控制。 ( 3 ) 班一个8 层偏心钢结构为算铡，在缩构顶层沿两个烹轴方内征交放黉两个 t l c d ，并在结构质心处安放一个c t l c d 。基于本文给出的优化翻标函数和遗传优化算 法，对调液团露器的参数进行优化设计。最后，在时域内分析调液阻尼器对结拇搬转耦 联振动的减振作用。分析结果表明，合理设计调液阻尼器的有关参数，能使其有效控制 结构约乎班藕联振动。 ( 4 ) 进行了振动台试验，以验证调液阻尼器的减振控制作用。设计了一个二层的 单商偏心钢结构模型，东结构静颂层敖鬣一个t l c d 和一个c ，奁振动台上，分 别对结构无控时的反应和设置调液阻尼器后的反应进行试验研究，结果表明，调液阻尼 器箍有效捧麓结构的在蛾震作用下的扭转藕联振动。 ( 5 ) 对环形调液阻尼器减掇控制中的拍现缘进行研究。分析了环形调液阻尼器对 结构纯强转振籀控锈审酌拍瑰象，分鄹考露光阻尼结构体系、主体结梅有阻遐雨 偏心结构利用调液阻尼器减震控制的研究 c t l c d 无阻尼的体系及主体结构和c t l c d 中均有阻尼的体系，从数学角度对拍现象 发生的枧理进行缎器。磷究终均表暖，当环形调波阻尼器的阻尼增大到一定程度时，接 现象会消失。当拍现象发生时，缔构反应的瞬态部分不能得到迅速衰减，结构的瞬态响 廒将会占结构响殿的很大一部分，如果仅考虑结捣的稳态嗨应会繁来较大的误差， ( 6 ) 将基于市场机制的控制理论应用于t l c d 半主幼控制中，提出了基于市场机 制( m a r k e t - b a s e dc o n t r o l ，蕊称m b c ) 池t l c d 半主动控焦4 方案。其中，t l c d 对结 构的最优控制力w 由m b c 控制准则确定，简化了计算过程。从控帝效果来看，基于市 场机制t l c d 半主动控锘l 方法能够比被动t l c d 更有效地控制结构在地震作用下的反 波。 ( 7 ) 改进了被动式调频t l c d 的减振特性，提出了半主动变鄹4 度t l c d 减振系统 ( s e m i - a c t l v ev a r i a b l es t i f f n e s st u n e dl i q u i dc o l u m nd a m p e r ，简称s a v s - t l c d ) ，基 本原理是将调频t l c d 的弹簧设鬟成可调谐状态，在振动过程中，$ 艮据减搬系统的嚣要 滋时调整调频弹簧的开关状态，以便更有效地控制结构在魄震作用下的反成。计算结果 袭明，半主动变魏4 度t l c d 具有迥宽的减振频带，在t l c d 的频率和结构振动的频率 存在一定误差时，仍能保持较好的减振效聚。 关键词：调液陬尼器；地震反_ 陂；振动控制；偏心结构；半主动控制 一 大连理工大学博士学位论文 s e i s m i cr e s p o n s ec o n t r o lo fe c c e n t r i cs t r u c t u r e s u s i n gt u n e dl i q u i dd a m p e n a b s t r a c t f r o mt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds e i s m i cd i s a s t e r s ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h es e i s m i c r e s p o n s ei sn o to n l yi nt r a n s l a t i o n a ld i r e c t i o n , b u ta l s oi nt o r s i o n a ld i r e c t i o n t h e r ea r et w o r e $ o n st h a ta r cr e s p o n s i b l ef o rt h et o r s i o n a lr e s l ) o n s eo fs t r u c t u r e s f i r s t h e r ee x i s t st o r s i o n a l c o m p o n e n tf o rt h em o t i o no fg r o u n do rp l m s ed e l a yf o rt h ed i f f e r e n ts i t e so fg r o u n du n d e r c m h q u a k e s e c o n d , s t r u c t u r e se x i s te c c e n t r i c i t yf o rt h ei n c o n s i s t e n c yb e t w e e nt h ec e n t e ro f m a s sa n d 鲥篮h e s s t h et o r s i o n a lc o m p o n e n tc a na g g r a v a t et h ed e s t r o yo fs t m e 柏r c se s p c c i a l l y f o rt h ec c c c n l r i cs m l c t u m s ，s o ，t h ec o n t r o lp r o b l e mo fe c c e n t r i cs t n l c t u r e su n d e re a r t h q u a k ei s v e r yi m p o a a n 氧霹】ct h e s i sf o c u so i lt h es e i s m i cl 粥) o n s cc o n t r o lo fe c c e n t r i cs l r a e t u r c su s i n g t u n e dl i q u i dd a m p e r sa n dt h em a i nc o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w ： ( 1 ) t h ep a r a m e t e r so fc i r c u l a rt u n e dl i q u i dc o l u m nd a m p e r s ( c r l c d ) a r ea n a l y z e d 1 1 l em o t i o no fe q u a t i o nf o rc t l c di se s t a b l i s h e da n dt h en o n l i n c a rd a m p 啦o fc t l c di s e q u i v a l e n t l yl i n e a d 髓dt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so f c t l c dl r a d e rp u r e l yt o r s i o n a lc o n d i t i o na r e s t u d i e da n dt h ee q u a t i o no ft h eo p t i m a lf r e q u e n c yr a t i oa n dd a m p i n gr a t i oa r ed e r i v e d t h e e x p r e s s i o no fe q u i v a l c n td a m p i n gr a t i of o rp u r e l yt o r s i o n a lv i b r a t i o na n dt o r s i o n a l l yc o u p l e d v i b r a t i o ni sa c q u i r e d 韵隐e f f e c t so f p a r a m e t e r so f c o n t r o l l e ds y s t e mo nt h ec q u i v a l o n td a m p i n g a r e a n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o w t h a t c t l c d i sa l l e f f e c t i v ec o n t r o l d e v i c e o n t o r s i o n a l r e s p o n s e ( 2 ) 强ec o n t r o lm e t h o df o re c c e n t r i cb 畦娃攀u s i n gt l c da n d 瞅d u n d e rs e i s m i ci s p r c s e n 妊x i t h ee x p r e s s i o no f s t o c h a s t i cr e s p o n s eo f t o r s i o n a l l yc o u p l e ds y s t e mi sd e r i v e d t h e o p t i m i z a t i o nm e t h o df o rt h ep a r a m e t e r so f l i q u i dd a m p e r si s 搿啪b a s e d o ng e n e t i ca l g o r i t h m t h er e 鞠l l t ss h o wt h a tt h el i q u i dd a m p e r sw i t ho p t i m a lp a r a m e t e r sc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e w a n s l a t i o n a la n dt o r s i o n a lr e s p o n s eo fe c c e n t r i cb u i l d i n g si ft h eo b j e c t i v ef u n c t i o no f o p f t m i z a t i o n i ss e l e c t e d t o c o n s i d e r e a c h d e g r e e o f f r e e d o m ( 3 ) a8 - s t o r ye c c e n t r i cs t e e lb u i l d i n g ，w i t ht w ot l c d so nt h eo r t h o g o n a ld i r e c t i o na n d o n ec t l c do nt h e 燃c e n t e zo f t h et o ps t o r y , i sa n a l y z 越曩嚣o p t i m a lp a r a m e t e r so f l i q u i d d a m p e r sa r eo p c j m i z c db yg e n e t i ca l g o r i f l a n 1 ks l r u c t m a lr e s p o n s ew i t ha n dw i t h o u tl i q u i d d a m p e r su n d e rb i - d i r e e t i o n a le a r t h q u a k e sa r ec a l c u l a t e d + 1 】泌r e s u l t ss h o wt h a tt h et o r s i o n a l l y c o u p l e dr e s p o n s eo fs t r u c t u r e sc a r lb ee f f e c t i v e l ys l 4 ) p r e s s e db yl i q u i dd a m p e r sw i t ho p t i m a l l x a r a m e t e r s 。 m 偏心结构利用调液阻尼器减震控制的研究 ( 舢r n ”s h a k et a b l et e s tw a sc a r r i e dt ov e l i f yt h ec o n l l 0 1e f f e c to fl i q u i dd a m p e r st o e c c e n l r i cb u i l d i n g s as t e e lm o d e lo fb u i l d i n gw i t he c e e n u i e i t yo n l yi no n ed i r e c t i o nw a s d e s i g n e d o n et l c da n dc t l c dw e r ep l a c e do i lt h et o ps t o r yo fe x p e r i m e n t a lm o d e l t h e b u i l d i n gm o d ew i t ha n dw i t h o u tl i q u i dd a m p e r sw e r ee x p e r i m e n t e do nt h es h a k et a b l e 1 1 1 e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h el i q u i dd a m p e r sc a l le f f e c t i v e l ys u p p r e s st h et o r s i o n a l l y c o u p l e dr e s p o n s eo f e c c e n l r i cb u i l d i n g s ( 5 ) n 硷b e a tp h e n o m e n o nf o rt h ev i b r a t i o nc o n l r 0 1u s i n gc c di s s t u d i e d t h e u n d a m p e ae o n l r o ls y s t e m , l i n e a r l yd a m p e ds t r u c t u r ew i t hu n d a m p e dc t l c da n dd a m p e d c o n l r o ls y s t e l 玛a r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y 协u n d e r s t a n dt h eb e a t p h e n o m e n o nf r o ma m a t h e m a t i c a ld o i n to f v i e w t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb e a tp h e n o m e n o no nt h ef r e ev i b r a t i o no f s t r u c t u r ec l t 1b ed i s a p p e a r e df o rc t l c dw i t hh i g h e rd a m p i n g n 硷l i a n s i e n tr e s p o n s eo ft h e s t r u c t u r ec a nn o tb ed e g r a d e dp r o m p t l yw h e nb e a tp h e n o m e n o na p p e a r s ，s ot h e r ew o u l db e l a r g ee l t o r si f o n l yc o n s i d e rt h es t e a dr e s p o n s eo f s m a c t u r e a n o v e lc o n t r o ll a wf o rs e m i - a c t i v et u n e dl i q u i dd a m p e r s ，m a r k e t - b a s e dc o n t r o l ( m b c ) i sp r e s e n t e d n l ee q u a t i o no f m o t i o nf o rs 仃u c t u t e - t l c dc o n l r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e dt h em b c s e m i a c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yi si l l u s t r a t e d 1 1 1 er e s u l t si n d i c , a t et h a t m cs e m i - a c t i v et l c d c o n t r o lm e t h o df a c i l i t a t e sr e d u c i n gs m l e t u r a lv i b r a t i o nw i t hal o w e re n e r g ye x p e n d i t u r ea n dt h e c o n t r o le f f e c ti sb e t t e rt h a np a s s i v et l c d t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fp a s s i v l ba 4 j u s t a b l ef r e q u e n c yt l c d ，s e m i a c t i v e v a r i a b l es t i f f n e s st u n e dl i q u i dc o h m a nd a m p e r ( s a v s - i l c d ) i sp r e s e n t e d , w i t ht h e s t i 恤e s $ o fa d d i t i o n a ls p r i n go n l i n ea d j u s t a b l e n l es t a t eo fs t i 伍l e s sc a nb eo no ro f f a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fc o n t r o ls y s t e md u r i n gt h ev i b r a t i o n 1 1 1 er e s u l t si n d i c a t et h a t s a v s 1 l c dh a sl a r g e rf r e q u e n c yw i d t ho f r e d u c t i o na n dc a l ls d l lb ee f f e c t i v e n e s si f t h e r ei sa t i t t l ee r r o rb e t w e e nt h ef r e q u e n c yo f da n dt h es t r u c t u r e k e yw o r d s ：t u n e dl i q u i dd a m p e r s ；s e i s m i cr e s p o n s e ；v i b r a t i o nc o n t r o l ；e c c e n t r i c s t r u c t u r e s ；s e m i - a c t i v ec o n t r 0 1 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：、熏莶垄日期：型：2 ： 编心臻构翻用谲液阻尼嚣减震控剃静研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文傣者及措导教妍i 究全了解“大连壤工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构遴交学位论文的复印件和电子 舨，龛谬论文鼓凌潮程磐凝。本久授投大连理王大学霹戬将本学袋论文豹龛部羲部分内 棵编入脊关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：霾鞋璧 磐龉签名： 鲨年2 莠盥 1 5 8 大连理工大学博士学位论文 i 绪论 1 1 结构振动攘制的重要意义 众掰属知，遣震是游球上簸大静鑫然灾害之一。蠢菠鏊是嫠赛上遣震灾害最严重兹 国家。英特点怒地震区域广阔而分散，频繁而强烈。地震基本烈度6 度以上地区丽积占 全部嚣圭覆积终6 0 殴羔。煮记载静天类历史上壹| 羹震灾害最严重静一次悬1 5 5 6 年i 嚣2 3 西 陕西华鼹8 级地箴，死亡8 3 万余人。而世界近代大地震中，死亡最多的一次是1 9 7 6 年7 月 2 8 鑫溺l 唐由7 8 级建袋，死亡2 莲。2 万余久。2 0 缴纪鼓采，整器上疆坏鬣严重豹2 0 次遣 震中，共死亡人数约1 0 l 万余人。其中2 次发生在中国，占1 0 ，死亡人数达4 4 2 万余 天，占绱+ 7 6 ，瞧是氆舞主最多豹。遮震给孛国人琵豢采了滚耋瓣灾难。这豆令濑赛之 “最”足以说明，在中国这样一个人口大国，做好抗震防灾工作的重要意义。 羹鏊矮孛财产鹣重大揆失窝人璺揍亡豹主要覆瓣是枣建筑秘豹麓塌巍逡戏匏【l l 。麸8 0 年代开始，我国高层建筑与高耸结构迅遴发展。到目前为止，我圈已建成数千幢商层建 筑与衰耸结擒，这些毫耱建筑歉瓷大多嶷冗予万元至l 死卡亿元，嚣显有8 0 班上像予建 震区。商层建筑大多位于人口密集的城市，它们旦遭受破坏将会造成巨大的经济损失 窝人受揍亡，冀聂聚不攥设怒。 因此，作为城市主瑟灾害的风灾、震灾对高层建筑及高耸结构的破坏作用，越来越 零| 起了久艇兹耋援。圭予毒层建襞及衰耸结揍黪嚣l 度、隧惩麴连曩，结棱毙较柔，袋褥其 在风荷载和地震作用的作用下产嫩振动和大幅变形。因而，如何减少这两种荷载尤其是 缝震络翅对裹层建筑及瓷耸结构豹破嚣佟震，帮躐奎裹爨建筑及藏鹭绩稳瓣振蘸反应， 成为工程结构领域重要的研究课题之一。传统的设计方法是通过增加结构的冈| j 度和变形 戆力戆方法来减小终捣懿振动。餐蠹于缀济条 牛及建筑耪瓣物理糕携戆鼹麓，殴及逑震 作用的不确定性，使得传统的设计方法不能很好地解决建筑结构的安全问题。二十世纪 七十年代视，学蠹翅开始磅究奁建筑结梅上设置按襄装要瓣方法，以减小缝搀静掇凌反 应。可以说，结构振动控制为工程结构的抗震研究与设计开辟了一个新的途径。 1 2 结橡攘动控豢l 硬究概况 1 2 1 结构控制的定义及熟分类 戳牮裔美国学者j t py a o 于1 9 7 2 年提出豹本工程结构掇动控铷的概念为标志 嘲，结构振动控制的研究历史已有3 0 年。经过各国研究者的理论与试验研究，结构控 镱l 技术取得了长足韵进步。结稳控箭就怒逶过调整结孝鼋酌动力籍靛( 诸如葳量、黼攫和 偏心结构利用调液阻尼嚣减震控制的研究 刚度等参数) 或者提供外力抵抗风和地震荷载的作用，削弱结构的动力反废，使之满足 正常使瘸的要求。遥誊对结魏实施振动控露霉要设置一令提供控露l 力的辕助系统，李 充 的控制力既可以是被动控制力，也可以是主动旄加的控制力。结构振动控制根据是否需 骚终郏煞壁输入霹以分为延类：数动控制、主动控裁、半主动控嚣l 嬲混合控利f 】。 结构被动控制是控制装置不需要外部能源输八的控制方式。被动控制采用隔震、吸 壤和耗能等技术求潢耗终构的振动能量，达受减夺结梅援凌反应懿曩敕。蕻控毒力是控 制装置随结构一怒振动，因控制装置自身的运动丽被动产生的。被动控制装置相对来说 怒一种经济、较翳实现的方法。被动控制系统因其造馀 氐廉、可靠性裹、麓便易铃熬特 点使其得委广泛地应用。 结构生动控嚣l 是由步 郏能源内绪梅壹接提供主动控嚣力，达至g 减小结构振动反废盼 控制方式。结构主动控制- 町以根据需要调节结构振动反应盼控制效果，从理论上讲，是 最为有效的结构控露i 方法。 结构半主动控制是一种主动敬变结构参数，仪需部分熊源实现其控制装置工作状态 的变换，使控制系统的参数能随麓结构的反应和钋旖载的变化两变化，从藤城小结构动 力反应的结构控制方式。 顾名恩义，溉台控制系统通常由两种以上不阉类型的控制系统缎成，以期达到更好 的控制性能。由予主动控锖8 系统控制效果驻著，但控箭技术要求高、造价高，特别是需 要较大的主动控制力时，很难在实际工程中实现。被动控制系统可靠性高、造价低、易 予实现，但控制效果有一定的局黻。混合控制系统能够减少单独使厢被动或主动控涮系 统的局限性，并充分利用甄种系统各自的优点，掇宽了控制系统的应用范隧。 1 2 2 被动控制系统 被动控制装誉差申类繁多，不脞牧举。搬据控制的基本思想，主要可以分海三静：基 穰b 隔震、动力吸扳和耗能减震三大控制形式。 1 2 2 1 基础隔震 由于地震波由地基传给建筑物，因此如果能隔绝地震波传播的路径或减小地震波入 射络构的鼹量，戈疑很有意义。基础隔震续拇是通过隔震艨将地震馋用隔鬻放焉保护上 部结构的一种被动减震结构形式，其力学原理是通过延长结构的基本周期而使得进入上 部结构的加速度大大降低从丽达到隔离地震作用的霉的f 6 】。现代隔震系统大都由隔震支 廉、阻尼器、地鍪振动和风反应控制装备等组成，其中隔震支座是核心，因而隔震技术 弼以按隔震装置或隔震支您分为橡胶垫隔震、摩擦潺移瞩震、摩擦滚摆式支座隔震簿。 2 大连理工大学博士学位论文 叠层钢板橡胶支座是一种弹性隔震支座，结构底部设置柔性层可以在地震波入射能 量传递到上部结构之前，反射和吸收一部分输入能量。因此，地震发生时，变形主要集 中在柔性层，而上部结构层间位移很小，基本上呈现整体平动的特性f 7 1 0 1 。不足之处在 于对竖向振动一般没有减振效果，并且对长周期水平地震存在共振危险。从动力学角度 来讲，基础设置柔性层隔震在于设法延长结构的固有周期，远离共振。对于坚硬场地上 的中等地震，加速度反应谱的卓越周期为o 1 5 s - 0 4 0 s ，这无疑是适用的；但是对于软弱 土场地上潜在的地震来说，则可能反而是不利的。例如1 9 8 5 年9 月1 9 日美国的墨西哥 市地震由于地面运动以2 s - 2 5 s 的长周期成分为主( 与隔震周期十分接近) ，震区内柔 性结构普遍遭受了极大的破坏。随着结构物高度的增加，结构的倾覆力矩也在增加。为 避免橡胶支座隔震结构在地震作用产生倾覆，李宏男等人对橡胶支座隔震结构的高宽比 限值从理论上进行推导和论证，分析对高宽比限值的影响因素及其影响规律，并给出定 量的适合各种情形下的隔震结构的高宽比限值【l ”。而且，我国2 0 0 1 年新颁布的建筑 抗震设计技术规程增加了“隔震和消能减震”( 第十二章) 的内容，但仅适用于安装 叠层橡胶支座的隔震结构【1 a 。 摩擦滑移隔震是在基础面上设滑移层或滑动层，利用滑移层，f f a ：部结构与基础解 耦，产生一定滑擦力。当建筑受到小震作用时，滑擦力能阻止上部结构滑动。当地震强 度大到一定程度时，滑移层受到地震作用大于摩擦力，滑动面滑移，通过滑移消耗和阻 止地震能量上传，起到隔震作用f 13 1 4 】。滑移隔震的关键在于滑移装置，滑移装置包括滑 移件和限位耗能件，常见的滑移件由上下钢板和中部滑移面组成。摩擦面的材料有聚四 氟乙烯板、复合聚四氟乙烯和柔性石墨涂层等，另外，上下承板可考虑用高强混凝土。 滑移装置中的限位元件并不承受竖向荷载，在水平荷载下只起稳定、复位和耗能作用。 常见的限位元件有变截面刚杆、“u ”型热轧钢板和扭转梁等。 摩擦滚摆式隔震器主要由上部的带有滚球的凹型钢支座、摩擦板和凹型底座组成 1 1 5 ，使用时，将上部支座安装在柱的下端，然后再安装到滑盘内。地震作用时，建筑物 可作整体的摆动，由于底座是一个凹型圆盘，建筑物可上下移动。该种支座隔震效果明 显，使用时要注意，建筑物四周留有足够空隙，以免因建筑物摆动引起相邻建筑物相互 碰撞。 目前基础隔震已经是一种比较成熟的技术，在世界范围内被广泛应用。它的不足之 处在于仅适用于中低层建筑结构，不宜于风振控制，同时对竖向地震作用无能为力。此 外，在可能出现长周期地震作用的场地，也不宜使用基础隔震。 3 偏心结构利用调液阻尼器减震控制的研究 1 2 2 2 消能减振 外界输入结构的能量一般被转换成动能和势能两种，要么被结构吸收，要么被以热 能的形式耗散。根据振动理论，如果不存在阻尼，振动将不会因衰减而停止，尤其在共 振时振幅将逐渐增大，致使上部结构倒塌破坏。实际上，由于结构内部总存在一定程度 的阻尼，因此这种的情况是不会出现的。为进一步提高减振效果，可以沿整个结构布置 消能装置，给结构提供额外的阻尼和刚度。地震输入能量的耗散主要被限制在阻尼器内 部，同时结构的破坏也仅限于阻尼器本身。这样的好处在于如有必要可以随时地替换阻 尼器，远比结构破坏后修复构件方便和经济。消能装置可分为： ( 1 ) 滞回装置 包括金属屈服阻尼器和摩擦阻尼器两种类型，主要用于抗震。这两种阻尼器具有滞 回特性，耗能主要与装置本身的相对位移有关，而与相对速度无关。 金属阻尼器利用金属屈服后发生塑性变形消耗能量，例如软钢阻尼器和铅阻尼器。 k e l l y ( 1 9 7 2 ) 最早阐述了“利用金属屈服吸收并耗散地震对结构输入能量”的思想【l q 。 目前，国内外已经研制的金属屈服阻尼器的类型很多【1 9 】。需要指出，由于地震时金属 屈服阻尼器可能反复发生弯曲和屈服，因此可能出现刚度和强度的退化，必要时注意进 行更换。 摩擦阻尼器利用类似制动原理降低结构运动速度，通过固体滑动摩擦耗散能量，例 如x 形支撑式和栓孔连接式摩擦阻尼器。美国的p a l l 是最早展开摩擦器研究工作的学 者之一1 2 0 j ，并在加拿大、美国和印度的多幢民用及工业建筑中得到应用。这种阻尼器主 要用于抑制风振和中小地震引起的振动。吴斌提出了一种改进的p a l l 摩擦阻尼器叮 形芯板摩擦阻尼器，对它滞回特性以及支撑的受力特点进行了详细分析凹锄】。摩擦阻尼 器的优点在于其动力行为基本上不受激励频率和温度变化的影响，一般不会因荷载的反 复作用而发生疲劳破坏。 ( 2 ) 粘性装置 包括粘弹性阻尼器和粘性流体阻尼器，可用于抗风和抗震。这两种阻尼器耗能的大 小同时与装置本身的位移和速度有关。 粘弹性阻尼器由粘弹性层和钢板胶结而成，通过粘弹性材料( 分子聚合物或玻璃体 类物质) 的剪切变形耗能。原美国世贸大楼南北双塔采用了大约1 0 0 0 0 个这样的阻尼器 进行风振控制，这是粘弹性阻尼器用于土木工程最早也是最有名的例子。粘弹性阻尼器 用于抗震领域起步较晚。相对风振控制，这种阻尼器需要使用高阻尼比的粘弹性材料， 才可有效抑制结构地震反应口4 “。 d 大连理工大学博士学位论文 粘性流体阻尼器一般由带孔的活塞和充满硅油类粘性油的活塞腔组成。在活塞运动 的情况下，由于压力的改变粘性油可以通过活塞头预设的孔径在腔内两个不同部分之间 流动，引起能量耗散。宋智斌等人采用这种阻尼器对北京火车站和北京展览馆进行了抗 震加固 3 0 1 。 1 2 2 3 动力吸振 在动力吸振器早期的研究工作中，f m h m 和d e nh a r t o g 分别作出了开拓性的贡献 3 1 t 。用于结构控制的调谐质量阻尼器( t u n e dm a s sd a m p e r ，简称t m d ) 和调谐液体阻 尼器( t u n e dl i q u i dd a m p e r ，简称t l d ) 的理论基础就是动力吸振理论。这类辅助系统 通常需要将它们的频率调谐到与主结构的固有频率相等或相近，才能充分发挥控制作 用。 调谐质量阻尼振动控制系统是在结构顶层或上部结构某层上加上惯性质量，并配以 弹簧和阻尼器或控制作用与主结构相联。应用共振原理，对主结构某一振型( 通常是第 一振型) 加以控制。被动t d 1 ) 控制系统，主要是调整t m d 系统的自振频率及阻尼器的 阻尼比，使系统在与主结构振型共振区内吸收振型振动的能量，达到吸振消能的目的 3 2 - 3 9 1 。胡继军、叶继红等人进行了网壳结构利用t m d 减小风振和地震反应的研究h h ”。 同样，t m d 还可应用于海洋平台和大跨桥梁的减振控制1 4 2 书】。 t m d 阻尼的作用取决于t m d 响应滞后于结构响应9 0 0 相差条件，结果由t m d 传 输的弹性力变成粘滞力而作用于结构。这个条件只有当t m d 频率被调谐至结构受控频 率而且外激励覆盖这个频率成分时才发生。r a m 和s o o n g 研究了t m d 失调对其设计参 数的影响，结果表明t m d 频率失调对其参数的影响较t m d 最优阻尼比偏移的影响更 为明显，而且随着结构阻尼比或t m d 质量的增加，t m d 失调影响减小m j 。因此， t m d 的有效性主要取决于对受控结构动力特性参数的精确估计。但在实际工程中，由 于设计、施工等因素的影响，新建建筑的实际结构状态与其原设计状态有一定的差异。 例如上海金茂大厦第一阶和第二阶自振频率实测值相对设计计算值的误差分别为 3 5 2 2 和4 4 2 8 4 5 。即使我们已精确估计到结构的动力特性参数，由于地震对结构的 损伤及损伤累积作用，实际结构的动力特性参数是时变的。地震对结构的损伤及损伤累 积作用将导致结构刚度的退化，结果引起结构自振频率的下降和结构阻尼的上升。结构 的质量也是时变的。此外，由于土木工程结构的复杂性，对结构的刚度和质量也不可避 免地存在计算误差。因此，设计t m d 用的结构自振频率估计值与其实际自振频率存在 差异。实际结构自振频率的不确定将不能确保t m d 的频率调谐。t m d 一旦失调，其 控制有效性将明显下降。因此，t m d 的频率调谐敏感性问题是个重要的实际问题。 一5 镳心结构琴囊爵调渡阻尼器减震控剃嚣辑究 为降低t m d 懿菝率调谮敏感毪帮灌疆t m d 豹善耪往，久稻提塞了使鬻多令不目囊力 特性的t m d 来控制结构振渤的新思想【4 “引。 满额滚体鏊愿糕( t u n e dl i q u i dd a m p e m ，篱称t l d ) 蹩一秘缭褥被臻控赣l 装嚣。 t l d 是装有液体并固定在结构上的刚性容器。其减振机理是：将t l d 安装在结构上，当 终梅受蓑载终爱产磐壤囊簿，t l d 中懿滚髂发生是麓。液体援荡产生懿魂承嚣力俸瑟予 容器壁，其作用传播到结构上，从而对结构运动产生影响。这个作用是惯性力、万有弓i 力_ 耱漳耗搏建瓣蟹会。我 】穗焉茭藤定兹溃糕俸焉窝镤经豹 毅振僖鬟，这嚣城，l 、结梅振 动响应的目的。这种阻尼器有很多优点：( 1 ) 经济：基本上不增加藏只增加很少的土 建赞矮裁霹瑷这銎l 躐震霹鹣；( 2 ) 戆擎易行：霉方便建穗藏窳容器放置在建筑纺上； ( 3 ) 适合于长期和短期使用；( 4 ) 较少的维护费用；( 5 ) 多用途：利用水箱可同时 终势侯拳装爨窝疆怒器。 土木工程中，美国v a n d i v e r 等予1 9 7 9 年利用圈定在海洋平台上的储液罐作为t l d 进移了龌波罐缝稳在波浚麓载终震下豹囊力反应努耩l 钡，秘步验涯了t l d 瓣缀象控麓 效果。1 9 8 2 年，l e e 等进一步研究了t l d 的液体高度、质量、频率、阻尼及储液罐的半 径镣参数嚣幸海洋乎鑫动力爱疲静影桶，褥爨了一些露意义褥络谗”。1 9 8 6 警骚究考髑 开始将t l d 引入地面结构，k a r e e m 等将地两运动模拟成平稳和非平稳过程，进行了水 耱结揍体系在最旋羧移 鹭波黄载露臻下熬旗力反瘦，著遴孬了摸型零蘑豹试验，搽淫 了t l d 的减振作用瞵“。f u j i n o 等人对t l d 的减振设计进行了深入研究5 2 巧7 l 。在我国， 李宏男巧删、翟莓壤等人娜5 】都对t l d 熬壤摄终建进行了分辑，褥龚了一些重要绻 论，并在南泉电视塔的风振控制设计中得到了实际应用。 在t l d 基础上发最起来的另一糖谡滚爨恧器u 型调渡疆是嚣域谩渡援型疆尾器 ( t u n e dl i q u i dc o l u md m n p e r ，简称t l c d ) ，是通过u 溅管中液体的晃动来达到减 小：憋震反应豹嚣弱。蠢关内褰毒孥懿矮霆豹章繁中详缨分绍。 1 2 3 主动控制系统 耀对于被魂整铡技零来说，主动控摹l 技术塞褒较浚。尽黪受援零隧褰夔毒l 约，煎楚 由于控制效果显著，未来仍憋一种很有发展前景的控制途径。主动控制系统由于利用外 郝大凌率憝源对绩橡藏翔控铡力，圆戴藏本缀寓，羁辩毽霹熬嚣 裹强震嚣控铡秀不是袋 者能源供应中断和稳定性等诸多技术问题，比较复杂。它主要包括主动拉索控制系统 ( a c t i v et e n d o ns y s t e m ，篾稼a t $ ) 耪主羲调谐瑷爨疆恧嚣( a c t i v em a s sd a m p e r ，麓 称a m d ) 。 。6 。 大连理工大学博士学位论文 a t s 需要在结构层间设置拉索。控制时可以按照指定的算法，通过实时改变作动 器的位移调整拉索的张紧程度，进而调整拉索对结构施加的控制力。由于结构楼层质量 一般很大，这种系统在实际应用中可能遭遇的最大的难题是控制力不足 6 6 1 。 a m d 是在t m d 的基础上发展而来，所不同的是在结构和附属质量块之间安装有 作动器。控制时按照既定算法，通过施加控制力实时调整附属质量块相对于主体结构的 运动状态，以期取得理想的控制效果。c h a n g 和s o o n g 提出了主动a m d 控制系统 6 ”。 1 9 8 7 年日本a i z a w a 等人完成了小比例四层钢框架模型顶层设置a ) j d 系统的主动控制实 验脚j 。同年，日本k o b o r i 等人完成了1 ：4 三层钢框架模型顶层设置a 如系统的主动控 制实验。这些实验和结果显示了a m d 系统优良的性能和控制效果。1 9 8 9 年日本k a j i m a 建筑公司建成了世界上第一幢采用a 佃系统的1 l 层办公大楼k y o b a s h is e i w 岔京桥成 和大厦，用于控制结构的风振和中等地震作用的反应。目前，世界上已有4 5 座高层建 筑和高耸结构安装了a m d 控制系统，已有9 座大型桥梁结构建设期间的桥塔风振控制 应用了a m d 控制系统t 6 9 j 。我国刘季、宋根由和田石柱等人率先在我国开展了结构主动 控制实验研究 7 0 7 1 】。欧进萍等人吲研究了海洋平台振动的a m d 主动控制技术的可行性 和有效性，进行了原型平台结构冰致振动和地震反应的a m d 主动控制仿真分析以及 1 ：1 0 模型平台结构a m d 控制的地震模拟振动台实验。中国与美国合作研究并实现了 南京电视塔风振控制的a m d 系绀”j 。 1 2 4 半主动控制系统 半主动控制系统的目的在于通过调整结构的刚度或阻尼等参数，以期实时改变结构 的动力特性而取得好的控制效果，具有耗能小、稳定性好和动力调整范围广等优点。半 主动控制系统主要包括： ( 1 ) 变刚度控制( a c t i v ev a r i a b l es t i f f n e s s ，简称a v s ) 系统 a v s 系统通过布置在结构层间的刚度元件实时调整结构刚度，由此改变结构的动力 特性，达到避免共振的目的。国外k o b o r i 等对变刚度控制进行了系统的理论和实验研 究，并投入了工程应用【7 ”。国内周福霖、吴波、何玉敖和李敏霞等也进行了此方面的研 究工作 7 s 捌 。应该肯定这类变刚度装置对于防止结构出现共振反应是有效的，但是由于 结构本身刚度很大，而能够补充的刚度又是有限的，因此结构周期或频率调整的范围一 般很窄。 ( 2 ) 变阻尼控制( a c t i v ev a r i a b l ed a m p i n g ，简称a v d ) 系统 a v d 系统要求在结构合适的部位安装变阻尼装置，通过实时改变装置的阻尼特性 以提供适度的阻尼力，控制结构的动力反应。这种阻尼