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文檔簡介
1、 淺談建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)姓 名 潘勝蘭 任課老師 左曉寶 教授日 期 2014.01.05 淺談建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)潘勝蘭(南京理工大學(xué),南京 210094)摘要伴隨我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,建筑業(yè)有了很大發(fā)展,人們對(duì)建筑物安全性、耐久性與適用性的要求不斷提高,我國地域廣闊、地震災(zāi)害發(fā)生范圍較廣,加上近年來地殼活動(dòng)異?;钴S,地震頻發(fā),結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展。目前已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科中一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域,被稱為土木工程的高科技領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)根據(jù)所采取的控制措施是否需要外部能源可分為:被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和混合控制。本文在參考了多個(gè)文獻(xiàn)資料后,對(duì)建筑隔減震原理進(jìn)行了概述,并分別對(duì)這些
2、控制技術(shù)予以簡述。關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu);基礎(chǔ)隔震;消能減振;振動(dòng)控制技術(shù)Discussion on vibration control technology of building structuresPan Shenglan (Nanjing University of Science and Technology ,Nanjing 210094)AbstractWith the rapid development of China's economy, the construction industry has made significant progress. Requiremen
3、ts on building safety, durability and applicability continue to increase. Earthquake disaster are broader in China, and in recent years ,there are active seismicity, earthquake-prone. Structural vibration control technology has been developing rapidly. Structural engineering has become a very active
4、 area of research, known as the high-tech field of civil engineering. Structural vibration control technology based on whether the control measures needs for external energy can be divided into: passive control, active control and hybrid control. In this paper, referring a number of literature, prov
5、ides an overview on the building structures across the damping principle and analysis the four kinds of vibration control technology.Keywords:building structures, base isolation; energy dissipation, vibration control technology0 引言建筑物減震結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制性能與建筑物的使用壽命和安全性緊密相關(guān)。要提高建筑物的耐久性和安全性,那么就必須從建筑物的隔減震結(jié)構(gòu)入手,選擇最優(yōu)質(zhì)
6、的建筑材料提高建筑隔減震結(jié)構(gòu)的性能,保證建筑物的安全性。我國新建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范之中,已經(jīng)添加了消能和隔震等振動(dòng)控制的一些專門章節(jié)。在國際方面,自第一屆國際結(jié)構(gòu)控制會(huì)議于1994年在美國洛杉磯召開以來,大約每4年召開一次,結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的控制已成為地震工程中的熱點(diǎn)和前沿性研究方向。有關(guān)這一領(lǐng)域的綜合評(píng)價(jià)文章也常見諸于國內(nèi)外的期刊和會(huì)議上 1 2 3 。消能技術(shù)與減振技術(shù)在最近幾年之中也逐漸,由基礎(chǔ)研究方面逐漸轉(zhuǎn)向工程的實(shí)際應(yīng)用之上。所以對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的減振、隔震與振動(dòng)控制的分析勢在必行。傳統(tǒng)建筑抗震設(shè)計(jì),主要利用結(jié)構(gòu)自身來吸收、消耗地震帶來的能量以滿足設(shè)防抗震的標(biāo)準(zhǔn),雖然能在遇到較小地震,起到比較好
7、的效果但毫無疑問這是一種比較消極被動(dòng)的抵抗地震的方法。科學(xué)有效的抗震方法是通過采用結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)來達(dá)到抗震日的,即通過對(duì)結(jié)構(gòu)本身施加振動(dòng)控制系統(tǒng),讓其與結(jié)構(gòu)本身共同發(fā)揮抗震作用,以減輕建筑結(jié)構(gòu)的抗震反應(yīng)。目前已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科中一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域,被稱為土木工程的高科技領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)根據(jù)所采取的控制措施是否需要外部能源可分為:被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和混合控制。以下將分別對(duì)這些控制技術(shù)予以簡述。1 隔震與消能減振原理概述結(jié)構(gòu)變形吸收是建筑結(jié)構(gòu)對(duì)地震帶來的能量進(jìn)行消除的主要方式,也就是說,建筑結(jié)構(gòu)變形吸收的能力是決定建筑應(yīng)對(duì)地震強(qiáng)度能力高低的主要因素。在傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)中,對(duì)于隔震與消能
8、減振的要求是比較低的,這種建筑結(jié)構(gòu)對(duì)于處理小型地震方面可能是可行的,但是一旦發(fā)生規(guī)模和強(qiáng)度較大的地震,這種建筑結(jié)構(gòu)可謂是不堪一擊的。因此,提高建筑結(jié)構(gòu)隔震與消能減振的能力就成了勢在必行的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。1. 1 隔震原理在整個(gè)建筑中,隔震層將建筑分為三部分結(jié)構(gòu),即上部、隔震層和下部。這是保證地震產(chǎn)生的能量能夠經(jīng)過下部結(jié)構(gòu)隔震層上部結(jié)構(gòu)的層層消除之后,將能量降低到最小的有效措施。因?yàn)榈卣鹉芰坑上虏拷Y(jié)構(gòu)傳播到隔震層的過程中會(huì)消耗一部分的能量,而隔震層主要的功能就是為了消耗地震能量,這一結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒋蟛糠值牡卣鹉芰肯儆筛粽饘訉⒌卣鹉芰總鞑サ缴喜拷Y(jié)構(gòu)時(shí),僅會(huì)剩余小部分能量。隔震層的設(shè)計(jì),使上部結(jié)構(gòu)的周期
9、發(fā)生了改變,有效的控制了地震能量給上部結(jié)構(gòu)帶來的影響,大大增加了上部結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)地震能量的彈性,甚至對(duì)于隔震層強(qiáng)度較大的建筑,地震能量只會(huì)對(duì)建筑產(chǎn)生很小的影響,使建筑仍舊維持在自然彈塑性變形的初期狀態(tài)18。1.2 消能減振原理所謂的消能減振,是指在建筑結(jié)構(gòu)中放置能夠有效消耗地震能量的元件,并通過這些元件的設(shè)置來降低地震能量。這種消能減振的原理能夠通過產(chǎn)生彈塑性來對(duì)建筑變形進(jìn)行控制,將地震帶來的能量降到最低,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù),保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。這種建筑結(jié)構(gòu)的消能減振原理是一種比較“柔性”的設(shè)計(jì)方式,但是能夠?qū)Φ卣甬a(chǎn)生的強(qiáng)大能量進(jìn)行消減,是一種“以柔克剛”的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式19。2 被動(dòng)
10、控制被動(dòng)控制是指不需要借助外部力量的振動(dòng)控制技術(shù),它通過在建筑結(jié)構(gòu)的某個(gè)空問部位添加子系統(tǒng),或通過對(duì)結(jié)構(gòu)自身構(gòu)件構(gòu)造的處理來改變結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性,被動(dòng)控制是目前結(jié)構(gòu)應(yīng)用開發(fā)的熱點(diǎn),很多被動(dòng)控制技術(shù)也已口趨成熟完善,在實(shí)際操作中應(yīng)用廣泛。被動(dòng)控制從其控制機(jī)理來看可分為兩大類:基礎(chǔ)隔震與耗能減震 27 。2.1基礎(chǔ)隔震22基礎(chǔ)隔震是限制地震能量進(jìn)入上部結(jié)構(gòu)的方法。常用的隔震機(jī)構(gòu)和體系如疊層鋼板橡膠支座、復(fù)位彈簧和平面滑板并聯(lián)機(jī)構(gòu)、摩擦擺體系 (FPS )和其它隔震、減振復(fù)合體系已用于許多實(shí)際工程 4 ??v觀近年來隔震技術(shù)的發(fā)展發(fā)現(xiàn)隔震技術(shù)的特點(diǎn)如下:1) 隔震技術(shù)應(yīng)用的范圍越來越廣泛,不僅在新建
11、建筑項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛,在對(duì)現(xiàn)有建筑進(jìn)行加固的工程中也得到了普遍認(rèn)可。2) 隔震建筑設(shè)計(jì)形式口趨多樣化從早期主要應(yīng)用在砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中發(fā)展到木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)巾。3) 隔震技術(shù)可供人們選擇的隔震裝置口趨多樣化而且新的隔震方法被人們不斷提出,混合隔震技術(shù)的采用已成趨勢。如國內(nèi)對(duì)橡膠支座的回轉(zhuǎn)剛度和系統(tǒng)的水平剛度和設(shè)置在底層柱頂上的橡膠支座與柱的串聯(lián)剛度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析 5 6 ,在豎向隔震機(jī)構(gòu)的研究方面現(xiàn)已開始受到重視 7 。目前在推廣應(yīng)用中的主要問題還是造價(jià)與常規(guī)的抗震技術(shù)相比尚屬偏高。因此,需要繼續(xù)研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的隔震橡膠支座及其配套機(jī)構(gòu),充分發(fā)揮橡膠支座的豎向承載能力和水
12、平變形能力。降低造價(jià)的主要途徑是降低上部結(jié)構(gòu)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和使用比較小的橡膠支座,但有時(shí)要承擔(dān)一定風(fēng)險(xiǎn)。為確保安全,應(yīng)該開展以下研究工作26 :l)隔震機(jī)構(gòu)在大變形和后屈曲條件下的潛力、性態(tài)和必要的保護(hù)措施8;2)隔震層設(shè)置限位擋塊以后可能發(fā)生的撞擊作用及其影響,這些題近幾年內(nèi)已取得了一些進(jìn)展 9 ;4) 配套的上部結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)方法,特別是在框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻底部隔震支座的設(shè)計(jì)計(jì)算和構(gòu)造要求等;5) 建立相應(yīng)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè),進(jìn)一步提高橡膠支座的性能指標(biāo),完善質(zhì)量保證體系;6)開發(fā)具有自適應(yīng)能力的智能型隔震系統(tǒng)7 ,此外對(duì)橡膠支座隔震體系也還有一些問題值得研究,例如由于傾覆力矩引起的局部提離和受拉,
13、固端的轉(zhuǎn)動(dòng)影響,高阻尼橡膠支座,復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隔震分析方法和計(jì)算機(jī)軟件等 10 。此外,隔震體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也是值得進(jìn)一步研究的問題1 2 。2.2耗能減震耗能減震241 251,具體來說就是把建筑結(jié)構(gòu)的某些地方如:空問、層間、連接縫和節(jié)點(diǎn)等,安裝上消能裝置。這樣在有小風(fēng)或者小震發(fā)生時(shí),這砦消能裝置與建筑結(jié)構(gòu)一起作用,讓結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài),滿足正常情況下的使用要求。在遇到大風(fēng)或大震時(shí),伴隨建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的加大,消能裝置能夠產(chǎn)生較大的阻尼,從而大量吸收、消耗輸入建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)振或地震能量,進(jìn)而讓建筑結(jié)構(gòu)所吸收的變形能或動(dòng)能以熱能的形式散發(fā)出去。能夠迅速減少建筑結(jié)構(gòu)受大風(fēng)或大震影響帶來的反應(yīng),保持建筑
14、整體結(jié)構(gòu)較好的彈性狀態(tài)。目前經(jīng)常采用的耗能裝置有:摩擦耗能減震裝置、粘滯阻尼器、金屬阻尼器和復(fù)合型耗能器。經(jīng)過研究和實(shí)際采用發(fā)現(xiàn)這種減振技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):1)安全,依靠耗能裝置可以大量吸收、消耗地震能量,從而達(dá)到保護(hù)建筑主體結(jié)構(gòu)的目的。2)經(jīng)濟(jì),采取這種柔性耗能方式可大量減少剪力墻的數(shù)量、減少錨固構(gòu)件的配筋和斷面。3)合理,通過耗能裝置可以有效耗散能量,減輕地震反應(yīng)。4)適用范圍廣,維護(hù)費(fèi)用低。3主動(dòng)控制主動(dòng)控制與被動(dòng)控制有明顯的不同,它是需要借助外部力量的一種減震控制技術(shù)通過施加與外來振動(dòng)相反方向的控制力。以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減震控制。其工作原理是這樣的:首先,傳感器對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)與外部刺激進(jìn)行
15、檢測;然后將監(jiān)測的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng);再次,由計(jì)算機(jī)根據(jù)程序給定的算法計(jì)算出應(yīng)施加力的大??;最后由外部能源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生控制系統(tǒng)所需的力。目前主要研發(fā)的主動(dòng)控制裝置有:主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、主動(dòng)支撐系統(tǒng)、主動(dòng)拉索系統(tǒng)、氣體脈沖發(fā)牛器等。主動(dòng)控制是一種高技術(shù)手段,理論上講是很有效的,對(duì)于尺度和載荷都很大的土建結(jié)構(gòu)來講,由于消耗很大的能源,現(xiàn)實(shí)意義不是很大,但對(duì)保護(hù)設(shè)備、設(shè)施的安全和減輕由于設(shè)備破壞引起的次生災(zāi)害方面則是很有效的。在土建結(jié)構(gòu)中常用的主動(dòng)控制方法是在結(jié)構(gòu)中適當(dāng)?shù)奈恢蒙蠎?yīng)用作動(dòng)器拖動(dòng)附加質(zhì)量塊 (AMD )或在結(jié)構(gòu)內(nèi)部(例如房屋樓層之間)安裝作動(dòng)器與彈性元件( 拉索或桿件 ) 施加控制力。日本
16、鹿島公司建的第一棟主動(dòng)控制房屋用的就是AMD系統(tǒng)12。我國在土建結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制方面的研究主要集中在分析、設(shè)計(jì)方法和模型試驗(yàn)131 141,以及控制系統(tǒng)的計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究等方面。主要涉及控制規(guī)律的選擇和時(shí)間延遲補(bǔ)償、反饋方式和參數(shù)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識(shí)別與預(yù)測方法、參數(shù)的不確定性、系統(tǒng)的魯棒性和可靠度等151 161。為了進(jìn)一步改善控制的效果,人工智能技術(shù)在結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制中的應(yīng)用日益受到重視,如模糊數(shù)學(xué)方法、遺傳算法,、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、聯(lián)想記憶系統(tǒng)等。在結(jié)構(gòu)控制中常用的作動(dòng)器( 或執(zhí)行器) 有液壓作動(dòng)器與伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá),但近年來對(duì)電流變、磁流變、壓電和形狀記憶合金型作動(dòng)器等也已開始研究。主動(dòng)控制技術(shù)為建造
17、更安全的抗震建筑提供了新的途徑。但是機(jī)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用昂貴,這些都限制了其在土建結(jié)構(gòu)中的實(shí)際應(yīng)用。4半主動(dòng)控制所謂的半主動(dòng)控制系統(tǒng),是指對(duì)建筑結(jié)構(gòu)所能夠承載的地震參數(shù),以控制機(jī)構(gòu)來進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)的一種振動(dòng)控制系統(tǒng),并以這一系統(tǒng)來達(dá)到消能減振的目的。半主動(dòng)控制技術(shù)不需要很大的外部力量需求,僅僅通過蓄電池就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)振動(dòng)控制技術(shù)來進(jìn)行控制,并且以開關(guān)來進(jìn)行對(duì)振動(dòng)控制系統(tǒng)的操控,對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)來進(jìn)行調(diào)節(jié),使建筑結(jié)構(gòu)自身的特性發(fā)生改變17。5混合控制將主動(dòng)控制與被動(dòng)控制結(jié)合起來應(yīng)用或采用其它復(fù)合控制方式通常稱為混合控制,其最常用的形式是用作動(dòng)器拖動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 (HMS )。日本已建成的20
18、多棟主動(dòng)控制房屋絕大多數(shù)采用混合控制方式23,其中最高的是1993年建成的橫濱三菱重工界碑(LandMarkTower ),70層296m高,鋼結(jié)構(gòu) (其中有部分是勁性混凝土),在頂層用了兩個(gè)吊重通過馬達(dá)加控制力,這也是日本最高的建筑 12 20之一。由于超高層建筑主體結(jié)構(gòu)的基本周期長達(dá)4 5s,為使吊重與主體結(jié)構(gòu)的周期近似相等,要求采用很長的吊桿 (繩)(例如10m),并占用高大的空間。為節(jié)省空間和減小吊繩長度,通常可以采用分級(jí)懸吊的方式。HMS的改進(jìn)形式是TMD和AMD的復(fù)合系統(tǒng),此系統(tǒng)能在一定程度上減小作動(dòng)力。我國近年來對(duì)混合控制也已給予了更大的重視21。東南大學(xué)土木系曾與美國布法羅紐約
19、州立大學(xué)地震工程研究中心合作在南京電視塔原有TMD的基礎(chǔ)上采用混合控制技術(shù),以減小結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)和地震中的反應(yīng)。這是繼日本之后將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程的又一實(shí)例。主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制由于都需要實(shí)時(shí)觀測結(jié)構(gòu)反應(yīng)并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和反饋控制,系統(tǒng)極為復(fù)雜,在推廣應(yīng)用方面受制于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件。相比之下以增加結(jié)構(gòu)阻尼、避免共振的被動(dòng)控制技術(shù)則更適合在眾多的實(shí)際工程中應(yīng)用。6結(jié)論隨著防震技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)代建筑物的防震性能大大提高了,各國研發(fā)出了越來越多的防震裝置和技術(shù)。我國是地震、臺(tái)風(fēng)頻發(fā)國家,還需不斷加快建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的研究,借鑒國外先進(jìn)技術(shù)、裝置和材料,根據(jù)本國建筑物建設(shè)的實(shí)際情況,研發(fā)出
20、更多優(yōu)質(zhì)的減震產(chǎn)品,提高居民住宅的抗震性能,為老百姓提供更加安全的住宅環(huán)境,保護(hù)老百姓的人身財(cái)產(chǎn)安全。由于在結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制中所面對(duì)的激勵(lì)以及所需要保護(hù)的對(duì)象本身都是時(shí)變系統(tǒng),并具有較大的不確定性,建筑結(jié)構(gòu)的尺度和載荷又都很大,因此無論是在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面都存在著較難克服的障礙29。1)傳統(tǒng)的依賴結(jié)構(gòu)延性的抗震措施是以一定的損傷為代價(jià)減小地震反應(yīng),應(yīng)用減振消能技術(shù)則可以減小結(jié)構(gòu)本身的損傷,對(duì)各類結(jié)構(gòu)基本上都能適用,其減振效果對(duì)地面運(yùn)動(dòng)特性依賴性較小,耗資也不是很大,因此是可以廣泛使用的方法。值得注意的是增大阻尼在減小結(jié)構(gòu)相對(duì)位移反應(yīng)和變形的過程中有時(shí)會(huì)使結(jié)構(gòu)的絕對(duì)速度和加速度增大,從而對(duì)內(nèi)部設(shè)備
21、和人員帶來某些不利影響。對(duì)有特殊性能要求的建筑物其在防災(zāi)減災(zāi)方面的問題也應(yīng)該引起注意。2)基礎(chǔ)隔震對(duì)在短周期地面運(yùn)動(dòng)影響下的中短周期結(jié)構(gòu)而言,其減振效果比消能技術(shù)更好,但對(duì)地面運(yùn)動(dòng)輸入特性比較敏感,不能完全消除共振的危險(xiǎn)性。3)半主動(dòng)控制和混合控制方法可以滿足不同的設(shè)防要求,對(duì)地面運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)本身不確定性的適應(yīng)能力更強(qiáng),可以提高結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性,引入智能元件以后,效果會(huì)更好,因此是值得重視的新領(lǐng)域30。4)此外尚應(yīng)在不同學(xué)科和專業(yè)之間開展合作和交叉研究,開發(fā)實(shí)用的裝置、機(jī)構(gòu)和配套技術(shù),盡快形成新的產(chǎn)業(yè),以支持新技術(shù)的推廣應(yīng)用。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究和應(yīng)用需要將傳統(tǒng)的建造技術(shù)與高新技術(shù)相結(jié)合,
22、使結(jié)構(gòu)的安全保障系統(tǒng)成為智能結(jié)構(gòu)的重要組成部分,為人類營造一個(gè)更加安全舒適的工作和生活環(huán)境。參考文獻(xiàn)1 黃尚廉. 智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)-減災(zāi)防災(zāi)的研究前沿J. 土木工程學(xué)報(bào)3.2 G W Housner,L A Bergman,T K Caughey. Structural Control: Past Present and FutureJ.1997(09) 3 B F Spencer Jr,T T Soong. New Applications and Development of Active Se mi-Active and Hybrid Control Techniques for Seism
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