結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制在大跨屋蓋中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制在大跨屋蓋中的應(yīng)用

一、結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制傳統(tǒng)的抗疲勞戰(zhàn)略被動(dòng)地依靠自身的抗疲勞力，這需要增加對(duì)融資的影響，并導(dǎo)致更多的材料消耗。因此,合理有效的抗震途徑是采用結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù),由控制機(jī)構(gòu)吸收和消耗地震的能量,以調(diào)諧和減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制主要分為基礎(chǔ)隔震、消能減振(被動(dòng)控制)、主動(dòng)和半主動(dòng)控制、混合控制,以及近年來發(fā)展起來的智能控制。其中,基礎(chǔ)隔震和消能減振是目前發(fā)展比較成熟的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。美、日等國陸續(xù)出臺(tái)了與之相應(yīng)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)志著這些技術(shù)進(jìn)入了推廣應(yīng)用的實(shí)用化階段。我國在新修訂的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)中也增加了隔震和消能減振的設(shè)計(jì)內(nèi)容。目前,結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究和應(yīng)用主要集中在高層結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)和橋梁等結(jié)構(gòu)體系。為推動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)在空間結(jié)構(gòu)中的發(fā)展,從隔震和消能減振兩個(gè)方面綜述其在大跨屋蓋中的應(yīng)用情況,可為今后該方面的工程設(shè)計(jì)提供參考。二、機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)體系中的實(shí)例隔震技術(shù)是通過在上部結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)之間設(shè)置某種隔震消能裝置,減小地震能量向上部的傳輸,從而達(dá)到減小上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。目前常用的隔震裝置有:疊層橡膠隔震墊、鉛芯橡膠支座、聚四氟乙烯支座、回彈滑動(dòng)隔震系統(tǒng)、摩擦擺隔震體系等。這些隔震裝置已在體育場(chǎng)館、大跨度屋蓋等體系中獲得實(shí)際應(yīng)用。下面列舉兩個(gè)工程實(shí)例:(1)美國舊金山國際機(jī)場(chǎng)候機(jī)廳主體結(jié)構(gòu)屋面采用鋼管桁架體系(圖1)?？拐鹪O(shè)計(jì)按100年一遇考慮,采用了由267個(gè)摩擦擺動(dòng)式滑動(dòng)支座組成的基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)。圖1(b)為該結(jié)構(gòu)采用的摩擦擺動(dòng)式隔振支座,它是將鋼件安裝在凹型的非粘性表面,可提供水平位移508mm,豎向位移50mm。地震后,依靠建筑物的自重可使結(jié)構(gòu)復(fù)位。該建筑物是目前世界上最大的裝有隔震系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),隔震系統(tǒng)提供的隔震周期為3s,可將地震作用減小70%。(2)日本Nishikyogoku游泳館的屋面系統(tǒng)采用了張弦梁結(jié)構(gòu)體系(圖2)。游泳館的屋面與下部結(jié)構(gòu)支承處采用了三種支座形式:1)隔震支座;2)滑動(dòng)支座;3)隔震支座加鋼阻尼器。圖2(b)所示為游泳館采用的隔震支座與鋼阻尼器的組合支座。分析表明,設(shè)置上述支座系統(tǒng)可有效減小由溫度變化和地震作用產(chǎn)生的響應(yīng)。三、幾種常見的增強(qiáng)減振機(jī)構(gòu)消能減振是一種不需要外部能源的被動(dòng)控制技術(shù),一般是指在結(jié)構(gòu)的某些部位附加耗能裝置或子結(jié)構(gòu)系統(tǒng),或?qū)Y(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件做構(gòu)造處理以改變結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性。被動(dòng)控制因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于維護(hù)且無需外部能源等優(yōu)點(diǎn)成為目前應(yīng)用開發(fā)的熱點(diǎn)。許多被動(dòng)控制技術(shù)已日趨成熟,并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用,如金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、鉛阻尼器、粘彈性阻尼器、粘性液體阻尼器等。大量工程實(shí)踐表明,在結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵部位安裝阻尼減震器可以很好地控制結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載(地震、風(fēng)等)作用下的反應(yīng)。下面通過工程實(shí)例說明消能減振技術(shù)在大跨屋蓋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況。(1)天津市體育中心體育館采用雙層球冠形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),網(wǎng)殼跨度為108m,球冠矢高13.5m,矢高與跨度比為1∶8,球體本身內(nèi)半徑為114.75m,外半徑為117.75m,殼體厚度為3m,為跨度的1/36,上弦從支座向外呈切向延伸,使外懸挑部分構(gòu)成楔形殼體?？紤]到在各種受力狀態(tài)下,尤其是在地震和溫度變化條件下,網(wǎng)殼的反復(fù)變形不應(yīng)造成對(duì)主體結(jié)構(gòu)的傷害,沿網(wǎng)殼周邊懸挑部位的下部設(shè)置了96個(gè)“伸縮節(jié)”(圖3(a)),伸縮節(jié)大樣如圖3(b)所示。利用伸縮節(jié)可調(diào)節(jié)由于溫差產(chǎn)生的變形,在地震中可以減震,是一種新型理想的減震機(jī)構(gòu)。(2)日本福岡開閉式體育場(chǎng)(圖4)為日本建造的第一座超大型開合式屋蓋的體育場(chǎng),整個(gè)體育場(chǎng)呈圓形,由三段覆蓋直徑為222m空間的鋼結(jié)構(gòu)屋頂、支承屋蓋并可旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的行走臺(tái)車、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的圓環(huán)形軌道梁和主要部分為鋼骨混凝土的下部結(jié)構(gòu)構(gòu)成。屋頂結(jié)構(gòu)為三角網(wǎng)格狀平行桁架。各片屋面的桁架高為4m,屋面跨度為107m。上下弦桿采用H型鋼,腹桿、撐桿采用鋼管?，F(xiàn)場(chǎng)全都采用高強(qiáng)度螺栓連接。三片屋頂設(shè)計(jì)成各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體系來抵抗外力,各片屋頂相互間最小間隔為500mm。為防止強(qiáng)烈地震時(shí)振幅較大的屋頂部位相互碰撞,在屋頂頂部旋轉(zhuǎn)中心處設(shè)置了油壓減震器,見圖4(d)。分析結(jié)果表明,利用設(shè)置在屋蓋頂部的阻尼減震器可將動(dòng)力荷載反應(yīng)量降低到65%。另外,為了防止臺(tái)風(fēng)、地震時(shí)屋頂移動(dòng),在預(yù)設(shè)的可移動(dòng)屋蓋的停車位置上,設(shè)置了具有先進(jìn)減振功能的鎖定栓,用于約束振動(dòng)時(shí)的移動(dòng)和滑動(dòng)。(3)美國新太平洋西北棒球場(chǎng)為一開合式屋蓋結(jié)構(gòu),采用大型空間桁架作為開合屋蓋單元的受力支承體系。為了減小結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震作用下的反應(yīng),在每榀大型門式桁架的北側(cè)柱子上設(shè)置了阻尼器,如圖5所示。門式桁架是兩種由型鋼組成的空間正、反三角形截面鋼架,阻尼器布置在單桿側(cè),門式桁架柱單桿上端通過阻尼器與桁架梁?jiǎn)螚U相連。阻尼器是一個(gè)內(nèi)含液體的活塞式粘性阻尼器,每個(gè)阻尼器直徑為45.7cm,與阻尼器對(duì)應(yīng)的雙桿與桁架梁的連接為鉸接。在荷載作用下,鉸可發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),能量由阻尼器吸收。這個(gè)裝置可以吸收大量風(fēng)荷載和地震荷載能量。(4)日本長(zhǎng)野市奧林匹克競(jìng)技館為鋼木混合的半剛性懸吊結(jié)構(gòu),如圖6所示。屋頂結(jié)構(gòu)由若干個(gè)基本單元構(gòu)成,每一單元跨度80m,寬度18m,垂度5m,中央單元離底層地面43.45m,兩側(cè)的單元以3m為高差漸次由高至低呈緩落形狀,相鄰單元互相重疊3.6m。為保證風(fēng)作用下屋面的穩(wěn)定性,控制屋面變形,在該結(jié)構(gòu)的屋面系統(tǒng)中安裝了油阻尼器,如圖6(b)所示。油阻尼器安裝在懸吊屋蓋相鄰單元重疊處的四個(gè)角點(diǎn)以及靠山墻的懸吊屋面板與抗風(fēng)梁之間的連接處。分析結(jié)果表明,安裝油阻尼器后減振效果非常明顯,系統(tǒng)阻尼由原來的1%增大為5%左右,屋蓋振動(dòng)響應(yīng)明顯減小,同時(shí)保證了結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性。(5)日本四季滑雪館是世界上最大規(guī)模的室內(nèi)人工滑雪場(chǎng)。全長(zhǎng)490m,寬約70~100m,長(zhǎng)度方向兩端高差約80m?？紤]到溫度及地震發(fā)生時(shí)的扭轉(zhuǎn)與應(yīng)力集中,把整個(gè)建筑用結(jié)構(gòu)縫分成6個(gè)區(qū)段,在高層部分鋼結(jié)構(gòu)的四個(gè)區(qū)段設(shè)置了鼓形減震器,布置位置見圖7(a)。減震器在一個(gè)結(jié)構(gòu)縫的滑雪面下有4處,共12處,每一處有上下2個(gè)組合,共用24個(gè)。每處減震器的安裝如圖7(b)所示。為增加阻尼效果,把碳素鋼鍛成實(shí)心的鼓形,這種形狀可以對(duì)所有方向的外力都發(fā)生作用。為了盡量不使由區(qū)段間上下方向的位移差形成軸力,把水平方向兩端分別通過鉸接的接桿與相鄰區(qū)段相接,減震器本身不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。通過設(shè)置結(jié)構(gòu)縫減震器,既能吸收振動(dòng)的能量又可以有效地降低區(qū)段間的相對(duì)位移。分析表明,采用上述減震器可使地震時(shí)各區(qū)段的相對(duì)位移和剪力反應(yīng)值降低1/2到1/5。(6)臺(tái)灣龍舟火車站屋面為一大跨懸索結(jié)構(gòu)(圖8),為抑制屋面在風(fēng)激勵(lì)下的過大響應(yīng),沿站臺(tái)支承柱與屋面連接處分布了8個(gè)粘彈性阻尼器,阻尼器原型如圖8(b)所示。風(fēng)洞試驗(yàn)與理論分析表明,該阻尼器系統(tǒng)能有效減小大跨懸索屋頂?shù)娘L(fēng)荷載反應(yīng)。四、結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性雖然振動(dòng)控制技術(shù)在大跨空間結(jié)構(gòu)體系中有一些零散的應(yīng)用,但研究程度遠(yuǎn)沒有形成系統(tǒng)理論。究其原因主要有如下幾點(diǎn):(1)大跨空間結(jié)構(gòu)形式多樣,不象多、高層房屋具有規(guī)整的結(jié)構(gòu)體系,因此很難尋求統(tǒng)一的形式。(2)空間結(jié)構(gòu)自由度數(shù)高,動(dòng)力特性復(fù)雜,頻率及振型分布密集。(3)結(jié)構(gòu)振動(dòng)具有三維特性,不能只局限于控制單