結構減震控制的技術發(fā)展

結構減震控制的技術發(fā)展

結構控制分為被動控制、主動控制、半自動控制和混合控制。被動控制采用隔震、吸震和耗能等技術減小結構吸收的能量,從而達到減震的目的,它不需要外界能量輸入,且造價低,易于實現(xiàn),所以在實際工程中得到了廣泛的研究和應用;主動控制系統(tǒng)需要外部提供能量,對結構施加額外的作用力以減小結構的動力反應,這種控制方法的特點是效果顯著,在系統(tǒng)頻率范圍和控制效果上可以人為地進行較大的調整,但實現(xiàn)過程復雜,控制設備投資大;半主動控制原理與主動控制基本相同,但外部能量的需求量小于主動控制;混合控制系統(tǒng)是將主動控制系統(tǒng)和被動控制系統(tǒng)同時施加在同一個結構上的結構控制系統(tǒng)。目前,用于結構振動被動控制的技術有:隔震技術、吸震技術(如調諧質量阻尼系統(tǒng)TMD、液壓質量振動系統(tǒng)HMS、調諧蕩液阻尼振動系統(tǒng)TLD)和耗能技術等;主動控制方法有主動調諧質量阻尼系統(tǒng)AMD等;半主動控制裝置主要有主動變剛度系統(tǒng)和主動變阻尼系統(tǒng)。2被動結構研究與應用2.1剛度剛度變化基底隔震技術是在結構地面以上部分的底部設置隔離層,使之與固結于地基中的基礎頂面分隔開,使地震能量傳遞不到主體結構,從而達到減輕結構振動的作用。隔震裝置具有可變的水平剛度,在強風或微小地震時,具有足夠的水平剛度,上部結構水平位移極小,不影響使用要求。在中等強度地震下,其水平剛度較小,上部結構水平滑動,使剛性的抗震結構體系變?yōu)槿嵝愿粽鸾Y構體系,其固有自振周期大大延長,遠離下部結構的自振周期和地面的場地特征周期,從而把地面振動有效地隔開,明顯地降低上部結構的地震反應。基礎隔震技術簡單、性能可靠,但其適用范圍主要是中低層建筑,且不適用于風振的控制?；A隔震技術是國內外研究應用最早的被動控制方法,發(fā)展時間較長。因此,它是目前應用最廣泛也是最成熟的一項結構控制技術。2.2能耗構件或裝置耗能減震技術是把結構物的某些非承重構件(如支承、剪力墻、連接件等)設計成耗能桿件,或在結構的某些部位(如層間空間、結點、連接縫等)裝設阻尼器。在風或小震作用下,這些消能構件或消能裝置具有足夠的初始剛度,處于彈性狀態(tài),結構物仍具有足夠的側向剛度以滿足使用要求。在強烈地震作用時,耗能構件或裝置率先進入非彈性狀態(tài),從而保護主體結構及構件免遭破壞。耗能裝置的種類有阻尼器、耗能支撐、耗能墻等。阻尼器的種類有金屬阻尼器、摩擦阻尼器、粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器、復合型阻尼器;耗能支撐的主要形式有偏心耗能支撐、摩擦耗能支撐、圓環(huán)耗能支撐;耗能墻的主要形式有帶堅縫耗能墻、水平頂縫耗能墻和阻尼器耗能墻等。2.3結構被動吸能減緩控制裝置吸能減震技術是通過附加的子結構,使結構的振動發(fā)生轉移,即使原結構的振動能量在原結構和子結構之間重新分配,從而達到減小結構振動的目的。附加的子結構具有質量、剛度和阻尼,因而可以調整子結構的自振頻率,使其盡量接近主結構的基本頻率或激振頻率。這樣當主結構受激勵而振動時,子結構就會產生一個與主結構振動方向相反的慣性力作用在主結構上,使主結構的振動反應衰減并受到控制。結構被動吸能減震控制的裝置主要包括:調諧質量阻尼器(TurnedMassDamper,TMD)、調諧液體阻尼器(TurnedLiquidDamper,TLD)、擺式質量阻尼器、質量泵、液體—質量振動控制系統(tǒng)(HMS)和空氣阻尼器等幾種,其中TMD和TLD應用較多。TMD利用質量塊的慣性,增大結構阻尼進行振動控制,其簡便易行,且行之有效。對于TMD應盡可能將其設置于結構振幅最大處以取得最好的效果,但對于電視塔這類結構物,由于頂部需架設天線,使得TMD安裝在結構物頂部比較困難,若將TMD安裝在適當?shù)牟课灰材塬@得較為理想的效果。如上海嘉定電視塔總高138m,它選擇在標高85.2m處水箱房兼作TMD控制室,對于隨機風荷載作用下的位移可減小12%,效果比較顯著,而對于平穩(wěn)風作用下的位移基本不起作用。3被動控制系統(tǒng)的研究在我國結構振動控制目前多數(shù)應用于高聳結構中,但隨著我國高層建筑特別是超高層建筑的發(fā)展,必將給結構振動控制帶來更為廣闊的發(fā)展空間。目前,結構抗震理論正在由確保結構在地震襲擊下的安全性,向確保在地震襲擊下結構功能正常發(fā)揮的方向發(fā)展。結構控制在建筑結構抗震中的地位越來越重要。今后一個時期內,結構被動控制技術的研究和發(fā)展中面臨的主要問題是:1)多維地震動控制技術的研究,研究不僅能控制一維,而且能控制二維、三維及扭轉振動的技術;2)新型高效、高衰減被動控制裝置的研究;3)適用于計算機、精密儀器等現(xiàn)代化辦公設備的地面隔震研究;4)既適用于高頻率的風振或小震,又適用于罕遇大震的復合減震控制系統(tǒng)的研究;5)被動控制系統(tǒng)與主動控制系統(tǒng)等其他控制系統(tǒng)相結合的混合控制系統(tǒng)的研究;6)被動控制系統(tǒng)在超高層結構、核電站等特殊結構中的技術研究和應用;7)被動控制系統(tǒng)的維護、保養(yǎng)措施和耐久性能的研究;8)被動控制系統(tǒng)減震效果的定量設計控制問題;9)被動控制系統(tǒng)的使用可靠性研究;10)被動控制系統(tǒng)的應用開發(fā)研究:包括編制我國的減震技術規(guī)范,進一步推廣并正確指導應用減震技術。近年來,人們又開始研究利用智能控制。結構智能控制系統(tǒng)以智能材料和器件的應用為突出標志?？捎糜谥谱骺刂蒲b置的智能驅動材料主要有電(磁)流變液體、形狀記憶合金、壓電材料、磁滯伸縮材料、可收縮膨脹聚合膠體等。結構智能控制系統(tǒng)主要有結構磁流變阻尼控制系統(tǒng)、結構壓電驅動和壓電變摩擦阻尼控制系統(tǒng)、結構形狀記憶合金