结构减振设计的理论与实践

结构减振设计的理论与实践

传统建筑结构的抗强设计方法基于概率论，提出了三个层面的防御要求。换句话说，“小地震没有得到破坏，中震可以得到修复，大地震不能回来”。传统抗震结构体系,容许结构及承重构件在地震中出现损坏,即依靠结构及承重构件的损坏消耗大部分能量,往往导致结构构件在地震中严重破坏甚至倒塌。为了克服传统的抗震设计方法的缺陷,结构振动控制技术逐渐发展起来,并被认为是减轻结构地震反应的有效手段。1结构控制的减振机理“结构控制”这个设计思维的革命性突破,在土木工程界中是J·T·P·Yao1972年首先系统地提出来的;可以简单表述为:通过在结构上安装控制机构,由控制机构与结构共同承受振动作用,以调谐和减轻结构的振动反应,使它在外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许的范围内。基于此定义,结构控制的减振机理,可以简单地用一个结构动力方程予以说明: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分别为结构的质量、阻尼和刚度矩阵;F(t)为外部作用,I是元素为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)分别为结构在外部作用下的加速度,速度和位移反应。结构控制就是通过调整结构的自振频率W或自振周期T或增大阻尼C,或施加外力F(t),以大大减少结构在地震(或风)作用下的反应。求解(1)式,使X⋅⋅‚X˙‚XX⋅⋅‚X˙‚X满足正常状态下结构允许反应值,即可确保结构及结构中的人,设备及装修设施等的安全和处于正常使用状态。2结构控制interpersonal从结构控制机理的角度出发,对不同的部分进行控制有不同的控制方法。(1)消振是通过减弱振源振动强度而达到减小结构振动的方法。(2)隔振是通过隔离层,将振源与结构隔开,目的在于减小改变振源对结构作用强度和方式,以此来减小结构振动。隔振是应用最广泛的技术。(3)吸振和阻尼减振是通过附加子系统,使结构振动能量转移或消耗振动能量为目的的减振手段。这种技术能降低结构共振区的反应和宽频带随机激励响应值。依据是否需要外界能源,结构控制分为4类:(1)被动控制系统(PassiveControlSystem),无需外部能源驱动,单纯地依靠控制装置和结构相互作用提供控制力。(2)主动控制系统(ActiveControlSystem),需要大功率的外部能源来驱动致动器,控制力由测到的激励和(或)结构响应的反馈决定。(3)半主动控制系统(Semi-activeControlSystem),以被动控制为主,只在结构反应达到界限值时,施加少量能量,能控制系统切换工作状态,其硬件简单,无需在线计算,稳定性和可靠性好。(4)混合控制系统(CombinationControlSystem)在结构上同时施加主动和被动控制,作为整体分析其响应,以克服纯被动控制的应用局限,减小控制力同时减小外部设备的功率、体积、能源和维护费用,增加系统的可靠性。依据控制力调整方式不同,结构控制分为3类:(1)开环控制(Open-Loop-Control),仅由外界荷载变化调整,被动控制多为此种控制。(2)闭环控制(Close-Loop-Control),依据结构当前反应值和估计值调整。(3)开闭环控制(OpenandClose-Loop-Control),同时感受外界荷载和结构反应的变化,能够理想地控制结构振动,但工程实现困难。3在结构控制领域的应用控制装置3.1小体积、小能量、低能耗的振动方法被动控制的设计思想就是采用直接减少(消振)、隔离(基础隔震)、转移(吸振减震)、消耗(耗能减震)能量等方法达到减小结构振动目的。由于易于工程实现,受到工程界普遍重视,因而起步早,应用广泛。被动控制技术主要包括基础隔震、吸振技术和耗能技术3种。(1)隔振装置分类基础隔震装置是在建筑物基底设置柔性装置,以减弱震源对结构的动力作用,根据隔振装置不同,可分为如下几种:①滚子隔振系统;②橡胶垫隔振;③钢滞变阻尼器隔振;④铅塞滞变阻尼器隔振;⑤基底滑移隔振;⑥“软着陆”隔振系统;⑦悬吊隔振;⑧组合机构基础隔震。(2)过弹簧系作用到结构吸振减震是在主体结构上附加子系统,以减小主结构的振动。吸振器包括质量系和弹簧系小振动系统。质量系相对运动的惯性力作为控制力,通过弹簧系作用到结构。质量系分为有液体和固体阻尼器。①质量系为固体的,有被动调谐质量阻尼器(PassiveTunedMassDamper.缩写P-TMD),摆式质量阻尼器,多结构联系体系,悬挂结构等。②质量系为液体的,有调谐液体阻尼器(TLD),质量泵,液压阻尼系统(HDS),油阻尼器等。③质量系包括固体和液体的,有液压质量控制系统、(HMS)摆、油阻尼器(POD)等。(3)能耗器消耗能量耗能减震技术是将结构的某些部件设计成耗能部件或安装一些耗能器来消耗能量。这种技术主要包括:粘弹性能阻尼器,摩擦耗能阻尼器,金属耗能阻尼器等。其中钢梁阻尼器和铅塞阻尼器已获得广泛应用,如新西兰Wellington某警察所。3.2a-tmd主动控制技术主动控制技术就是对输入地震动和结构反应实现联机实时跟踪和预测,再按照分析计算结果应用伺服加力装置(致动器或执行器)对结构施加控制力,实现自动调节,使结构在地震和其它动力作用下的响应受到控制,在允许的范围内达到保护结构和设备避免遭损伤的目的。主动控制技术包括:主动控制调谐质量控制系统(AMD),主动锚索控制系统(ATS),主动支撑系统(ABS)等。世界首例A-TMD为日本京桥和成大厦,使顶层位移减少50%-60%。我国在土建结构主动控制方面研究主要集中在分析设计方法和模型试验等方面。3.3半主动控制整合半主动控制一般以被动控制为依托,仅需少量的能量用于改变被动控制系统的参数或工作状态,以适应系统对最优状态的跟踪从而取得较好的控制效果。半主动控制兼有被动控制和主动控制的优点,因此比较适合于工程结构的抗震设防。常见的半主动控制装置包括:隔板孔洞可调节的柱型液体阻尼器(TLCD),半主动变刚度装置(AVS),半主动变阻尼装置以及主动调谐参数质量阻尼系统(ATMD)等。半主动控制研究和应用,日本和美国处于领先地位。3.4混合控制技术混合控制是将主动控制系统和被动系统同时施加在同一个结构上的结构控制系统,这样主动控制仅需提供较小的能量就可以有效地控制结构。目前出现的混合控制技术有:主动质量阻尼控制系统(AMD)和质量阻尼系统(TMD),调谐液体阻尼系统(TLD)的混合控制;阻尼耗能(VEDamper)和主动控制(ABS)的混合控制;隔震系统和主动控制系统(AMD)的混合控制等。日本已建成的20多栋主动控制房屋绝大多数采用混合控制方法。在国内,混合控制系统研究主要集中在混合TMD控制系统和主动基础隔震系统。4结构振动控制的研究展望建筑结构控制的研究和应用需要将传统的建筑技术与现代的高新技术相结合,使结构的安全保障成为智能结构的重要组成部分,为人类营造一个更安全舒适的工作环境。因此,结构振动控制的研究和应用有着广