工程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概念及分類

耗能方案J能來抵御地震作用的，即由結(jié)構(gòu)本身儲(chǔ)存和耗費(fèi)地震能量，以滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，小震不壞,,能無法滿足安全性的要求；另一方面，在滿足設(shè)計(jì)要求的狀況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸可能需做得很二:工程范疇新興一種新型的抗震方式一一結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制，即對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制機(jī)構(gòu)，由控制機(jī)構(gòu)和結(jié)才帶動(dòng)控制和混合控制。:由控制安裝隨結(jié)構(gòu)一同振動(dòng)變形而被動(dòng)產(chǎn)生的。被動(dòng)控制可分為基礎(chǔ)隔震技術(shù)、耗能減震技術(shù)和口:由控制安裝按某種控制規(guī)律，利用外加動(dòng)力自動(dòng)施加的。自動(dòng)控制系統(tǒng)由傳感器、運(yùn)算器和施力彳自動(dòng)控制有自動(dòng)拉索系統(tǒng)（ATS）、自動(dòng)支撐系統(tǒng)（ABS）、自動(dòng)可變剛度系統(tǒng)（AVSS）、自動(dòng)版劭開始研討自動(dòng)控制。目前，自動(dòng)控制在土木工程中的運(yùn)用已達(dá)30多項(xiàng)，如日本的Takenaka實(shí)駁制力雖也由控制安裝本身的運(yùn)動(dòng)而被動(dòng)的產(chǎn)生，但在控制過程中控制安裝可以利用外加動(dòng)力自動(dòng)訪S半自動(dòng)TMD、半自動(dòng)力觸動(dòng)器、半自動(dòng)變剛度安裝和半自動(dòng)變阻尼安裝等。I動(dòng)控制，或者是同時(shí)運(yùn)用不止一種的被動(dòng)控制安裝，從而充分發(fā)揮每一種控制方式和每一種控制:同時(shí)采用AMD和TMD的混合控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制和基礎(chǔ)隔震相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)以及自動(dòng)控制）:的清水公司技術(shù)研討所。但由于建筑結(jié)構(gòu)體形巨大導(dǎo)致所需的外加動(dòng)力較大，加之控制安裝的控制的算法比較復(fù)雜，而且彳容易完成，目前發(fā)展最快，運(yùn)用最廣，尤其是其中的基礎(chǔ)隔震技術(shù)已相當(dāng)成熟，并得到了一定4I動(dòng)控制低廉，而且不需求較大的動(dòng)力源，因此其具有廣闊的運(yùn)用和發(fā)展前景；混合控制綜合了某,1耗能減震技術(shù)。:控制機(jī)構(gòu)來隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸，使結(jié)構(gòu)振動(dòng)減輕，防止地震毀壞。目前研討開發(fā)的基彳I混合隔震等。近年來，越來越多的國家開展了基礎(chǔ)隔震技術(shù)的研討，因此，隔震技術(shù)也得到了飛1日本94棟，美國21棟，中國46棟，意大利19棟，新西蘭16棟，已采用了基礎(chǔ)隔震技術(shù)。最近;結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量分散，即結(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)到減小主結(jié)構(gòu)指.器（TLD）；（3）質(zhì)量泵；（4）液壓一質(zhì)量控制系統(tǒng)（HMS）；（5）空氣阻尼器。其中，運(yùn)用最:個(gè)重300噸的TMD,質(zhì)量塊在9米長(zhǎng)的鋼板上滑動(dòng)，它很好地減小了大樓的風(fēng)振反應(yīng)，防止了玻璃nade橋的橋塔均安裝了TMD,其減震效果均令人非常稱心。日本的Yokohama海岸塔是一個(gè)高101:斤表明，安裝了TLD后塔的阻尼比由0.6%添加到4.5%,在強(qiáng)風(fēng)作用下塔的加速度減小到原來的TLD以控制其風(fēng)振反應(yīng)。:撐、剪力墻等）設(shè)計(jì)成耗能構(gòu)件或在結(jié)構(gòu)物的某些部位（節(jié)點(diǎn)或連接處）裝設(shè)阻尼器。在風(fēng)載和4J運(yùn)用要求，在激烈地震作用時(shí)，耗能構(gòu)件或阻尼器率先進(jìn)入非彈性形態(tài)，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)f:要有：（1）金屬阻尼器；（2）摩擦阻尼器；（3）粘滯阻尼器；（4）粘彈性阻尼器；（5）復(fù)合型阻J彳回功能，因此被用來制造各種類型的耗能安裝。常用的金屬阻尼器有：軟鋼阻尼器、鉛阻尼器和/：功能，進(jìn)入塑性階段后具有良好的滯回特性。1972年Kelly首先進(jìn)行金屬阻尼器的研討和實(shí)驗(yàn)的畛軟鋼阻尼器（TADAS）的減震特性。目前這兩種阻尼器是國內(nèi)外研討較多的軟鋼阻尼器。由于軟4:點(diǎn)，因此惹起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并已在一些建筑物上開始運(yùn)用。例如，在意大利Naplesi鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上均安裝了軟鋼阻尼器，其中美國和墨西哥的狀況是為了對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加［+制造不合適，會(huì)惹起滯回環(huán)的畸變。塑性高、強(qiáng)度低、光滑才能強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)由于鉛具有較高的延性和柔性，故在變形過程中可以口和功能還可恢復(fù)至變形前的形態(tài)，因此鉛阻尼用具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）運(yùn)用壽命不受限制；（2）提1:差和鉛對(duì)環(huán)境形成凈化等缺陷。功能的新型材料，它與傳統(tǒng)材料的區(qū)別是具有高阻尼和大變形超彈性特性，可以反復(fù)屈服而不產(chǎn)生滑DFe基合金等。90年代初，一些學(xué)者對(duì)外形記憶合金阻尼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行了研討。AiikenW’實(shí)驗(yàn)研討；美國國家地震工程研討中心對(duì)裝有銅鋅鋁記憶合金安裝的5層鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)彳沙卜形記憶合金阻尼器的橋梁的減震進(jìn)行了系統(tǒng)的研討。，寸開發(fā)的摩擦阻尼器次要有：Pall摩擦阻尼器、Sunitome摩擦阻尼器、摩擦剪切較阻尼器、滑移2:大的附加阻尼。荷載大小和頻率對(duì)其功能的影響不大，且構(gòu)造簡(jiǎn)單，取材容易，造價(jià)低廉，因此7，接觸，會(huì)產(chǎn)生冷粘結(jié)或冷凝結(jié)，所希冀的摩擦系數(shù)發(fā)生改變。在地震作用時(shí)，滑動(dòng)面產(chǎn)生滑動(dòng)而彳邵且尼器及裝有摩擦阻尼器的結(jié)構(gòu)體系的實(shí)驗(yàn)研討和分析較多，已建立了一套公用的設(shè)計(jì)方法并編專官共運(yùn)用了60個(gè)摩擦阻尼器；加拿大民航大樓共運(yùn)用了58個(gè)摩擦阻尼器；日本Omiya市31層的1988年的Saguenay地震中受損，其抗側(cè)才能和延性均不能滿足規(guī)范要求，為此在支撐上安裝了庫活塞在缸筒內(nèi)可作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞上有過量小孔，筒內(nèi)盛滿流體，當(dāng)活塞與筒體產(chǎn)生絕對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),；塞上孔的數(shù)量和筒內(nèi)流體的體積，可根據(jù)阻尼器所需提供的阻尼值來確定，流體可為硅油或其它才:力與結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)和柱中彎矩異相，因此該阻尼器在減小結(jié)構(gòu)層間位移和剪力的同時(shí)\不會(huì)在彳［尼器的加工制造較難，粘滯流體易發(fā)生滲漏。;舶、設(shè)備和管網(wǎng)的減震中，最近幾年才運(yùn)用于土木工程，目前已有一些工程運(yùn)用實(shí)例。如美國洛I:意大利的一座長(zhǎng)1000米，重25000噸的橋梁的每一個(gè)橋臺(tái)下安裝了粘滯硅膠阻尼器，阻尼重視2美國新SanBermardino醫(yī)療中心也運(yùn)用了粘滯阻尼器，共安裝了233個(gè)阻尼器。;組成。圖1為常用的粘彈性阻尼器，它由兩塊T形約束鋼板夾一塊鋼板所組成，鋼板之間夾有粘弓、桁架上弦桿上或毗鄰建筑之間，當(dāng)結(jié)構(gòu)層間發(fā)生位移時(shí)，粘彈性阻尼器會(huì)產(chǎn)生剪切滯回變形，制；功能的次要要素是溫度、頻率和應(yīng)變幅值。其影響規(guī)律為其耗能才能隨著溫度的添加而降低：J添加而添加，但在高頻下，隨著循環(huán)次數(shù)的添加，耗能才能逐漸退步至一均衡值；是次要的，但在大應(yīng)變的激勵(lì)下，隨著循環(huán)次數(shù)的添加，耗能才能逐漸退步至一均衡值。:系，學(xué)者們提出了各式各樣的計(jì)算模型，次要有：（1）Kelvin模型；（2）Maxwell模型；（3）標(biāo)］;結(jié)構(gòu)。許多研討者對(duì)粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行了研討（見表1）,從這些實(shí)驗(yàn)不勺比例的模型框架恁架上模型框架甚架!框架曇足尺鋼框架1阻尼添加，自振頻率添加，周期減小。J分明的阻尼致使于結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為彈性，地震反應(yīng)大大地減小，位移、加速度、層間位移和層間剪力彳【結(jié)構(gòu)損壞的結(jié)構(gòu)滯回能僅占很小的一部分，因此在遭受異樣的地震下粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較少的*，混凝土結(jié)構(gòu)，安上粘彈性阻尼器后它們都表現(xiàn)出以上特性。、明添加，粘彈性阻尼器正是經(jīng)過改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性以達(dá)到減震目的。粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特《「模態(tài)應(yīng)變能法；(2)增量剛度和增量阻尼法；(3)改進(jìn)的模態(tài)應(yīng)變能法。［尼器的每圈耗能與系統(tǒng)最大應(yīng)變能的比值確定出等效阻尼比，近似估計(jì)結(jié)構(gòu)的阻尼效應(yīng)。J附加剛度和結(jié)構(gòu)阻尼比為：為第j振型下粘彈性阻尼器循環(huán)一圈所耗的能量；為第j振型下系統(tǒng)的應(yīng)變能。在實(shí)踐運(yùn)用中：量剛度矩陣和增量阻尼矩陣1一無量綱的支撐地位矩陣。I貢獻(xiàn)為:為:(5)i于一個(gè)巨大的剛度添加，阻尼比總值為附加阻尼比和原阻尼比之和。1994年在模態(tài)應(yīng)變能法的基礎(chǔ)上提出，對(duì)于粘彈性剪切型建筑在第j振型下的阻尼比可由下式確負(fù)系數(shù)。對(duì)于粘彈性彎曲型建筑在第j振型下阻尼比(7)力、于設(shè)計(jì)應(yīng)變時(shí)可很好地估計(jì)粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的功能；增量剛度和增量阻尼法概念明晰，但計(jì)算彳J運(yùn)用已有較長(zhǎng)的歷史，在土木工程中的運(yùn)用早期次要用于結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)減振工程中，近年來已開始彳1米，為一鋼一混凝土建筑，立體呈三角形。為減小風(fēng)振影響，在運(yùn)動(dòng)部位較大處和受力部位較大-桿件內(nèi)力，以此決定把粘彈性阻尼器安放在最有效的地位上，結(jié)果有1/6的斜撐設(shè)有粘彈性阻尼」:,每層約100個(gè)，共安裝了約20000個(gè)阻尼器，每只重約13.6千克。；踐工程運(yùn)用，目前北京50層首都規(guī)劃大廈擬采用粘彈性阻尼器以減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)和地震反應(yīng),概況架上弦桿E斜撐桿節(jié)點(diǎn)上主間人字型支撐上柱間斜撐上,實(shí)驗(yàn)及大量的結(jié)構(gòu)分析表明，在結(jié)構(gòu)中安裝粘彈性阻尼器可減小風(fēng)振反應(yīng)和地震反應(yīng)40%?80%,一亳的范圍內(nèi)。西雅圖哥倫比亞中心大廈后來是由于在風(fēng)振的影響下，頂部幾層有分明的不溫馨感，:【果，需求把現(xiàn)有的柱尺寸擴(kuò)大一倍，粗算價(jià)值約800萬美元，顯然采用添加剛度的辦法是難以接?I器減小建筑的風(fēng)振或地震效應(yīng)在經(jīng)濟(jì)上是相當(dāng)可觀的。::汛振及地震反應(yīng)；立在經(jīng)濟(jì)上節(jié)約了一定的資金，降低了建筑造價(jià)；景象；萱價(jià)低廉；無可用于結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)減振工程中又可用于結(jié)構(gòu)的抗震減震工程中，既可用于建筑結(jié)構(gòu)中又可用于塔;和社會(huì)意義，可避免地震和強(qiáng)風(fēng)作用所形成的次生災(zāi)禍和經(jīng)濟(jì)損耗，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全。.闊的運(yùn)用和發(fā)展前景。二組合而成的新型耗能減震安裝。目前已研制開發(fā)的復(fù)合型阻尼器有：鉛粘彈性阻尼器、鉛橡膠阻無J深化，許多國家相繼制定出臺(tái)了相應(yīng)的耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工規(guī)范和規(guī)程。臺(tái)了一系列試行條款，對(duì)金屬耗能器、粘彈性阻尼器、粘滯阻尼器的設(shè)計(jì)方法作了規(guī)定，提出在設(shè)一)93年，美國加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)(SEANOC)又頒布了有關(guān)耗能減震技術(shù)的暫行規(guī)定，其中明白指I亢震安全委員會(huì)(BSSC)也制定了類似內(nèi)容，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的推行創(chuàng)造了條件。俄羅斯也制定和頒布I構(gòu)在地震荷載作用下的計(jì)算方法，如反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法等，另一方面也羅列了相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)11已添加了隔震和耗能減震方面的相關(guān)內(nèi)容，以加速和規(guī)范該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施。!供了一條簇新的途徑，它克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)“硬碰硬”式的抗震設(shè)計(jì)方法，具有概念簡(jiǎn)單、減震機(jī)J1運(yùn)用已獲得了很大進(jìn)展，但仍處于研討和試點(diǎn)階段，在成為常規(guī)運(yùn)用技