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概论土木工程结构减震控制方法

来源:UC论文网2019-03-23 14:49

摘要:

  摘要:本文主要介绍了土木工程结构减震控制方法,详细阐述了4种方法的原理与应用研究概况,介绍了结构控制Benchmark问题,最后对今后的发展趋势做了展望,以供工程人员参考。  关键词:土木工程;结构减震控制;发展趋势  中图分类号:TQ336.4+2文献标识码:A  1被动控制  被动控制不需要提供外部能量,而通过减震、隔震装置来消耗振动能量,同时阻止振动在结构中的传播,它具有构造简单、造价低...

  摘要:本文主要介绍了土木工程结构减震控制方法,详细阐述了4种方法的原理与应用研究概况,介绍了结构控制Benchmark问题,最后对今后的发展趋势做了展望,以供工程人员参考。


  关键词:土木工程;结构减震控制;发展趋势


  中图分类号:TQ336.4+2文献标识码:A


  1被动控制


  被动控制不需要提供外部能量,而通过减震、隔震装置来消耗振动能量,同时阻止振动在结构中的传播,它具有构造简单、造价低、易于维护且无需外界能源支持等优点而被


  广泛应用。被动控制主要包括基础隔震、耗能减震和调谐减震。


  1.1基础隔震


  “基础隔震”是在建筑物与基础之间设置一层具有足够可靠度的“隔震层”(也称“隔震系统”),以控制地面运动向上部结构的传递。它包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分,如图1。基础隔震装置主要有橡胶垫和滑动支座。


  1.1.1基本原理


  由结构力学可知,延长结构的周期,给于适当阻尼会使结构的加速度反应大大减弱,而隔震层确实能够延长结构的水平自振周期,本身又有一定的阻尼。同时,结构的大位移主要由结构底部与地基之间的隔震系统提供,而不是由结构自身的相对位移承担,从而也就减小了上部结构的地震位移反应。因而通过“隔震层”使建筑物与地基隔开,可以延长建筑物的水平自振周期,使地震各种破坏力对上部建筑无直接拉力,减小上部结构的地震反应。


  图1结构隔震体系的组成


  1.1.2适用场地及结构


  隔震建筑所在场地应属于抗震有利地段或是采取抗震措施的不利地段。隔震建筑适合于比较稳定的地基,土质越硬,隔震效果越好。地震波穿过地基土到达结构基础,如果土质非常软,地震波中的高频成分被滤掉,地基土产生长周期运动,延长刚性结构的周期将放大而不是减小结构的地震反应。对于可能产生液化的土层,应采取相应的措施进行处理。“基础隔震”只能用于抗震,不能用于抵御风振。


  1.1.3结构计算方法


  隔震建筑计算包括上部结构计算、基础计算和隔震层变形计算。隔震层的计算要根据当地的地震波情况进行。在保证大震时隔震层安全的前提下,隔震使上部结构的地震作用比不隔震时有所降低,确认与降低后的地震作用相应的不隔震时的地震烈度及隔震后地震作用进行上部结构设计计算。上部结构和基础对自重、风荷载、积雪荷载等的验算,采用与非隔震相同的方法进行。因为目前的隔震支座只具有隔离水平地震的功能,对垂直地震没有隔震效果。


  1.2吸振减震


  吸振减震技术是在主体结构中附加子结构,使结构的振动发生转移,即使结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配,从而达到减小结构振动的目的。常见的吸振减震装置有调频质量阻尼器(TMD)、调频液体阻尼系统(TLD)、调频液柱式阻尼系统(TLCK)、质量泵和液压—质量控制系统(HMS)等。类似地,楼层加层减震技术是运用结构被动调谐质量减震的基本原理,在已有楼房上加层,达到提高已有楼房耐震性能的一种技术方法。


  1.3耗能减震


  耗能减震技术是把结构物中的某些构件(如支撑、剪力墙等)设计成耗能部件或在结构物的某些部位(节点或连接处)设置阻尼器,在小荷载作用下,耗能杆件和阻尼能处于弹性状态,在强烈地震作用下,耗能装置首先进入非弹性状态,大量消耗输入结构的能量,使主体结构避免进入明显的非弹性状态,从而保护主体结构不受破坏。


  按照耗能装置的不同,耗能减震体系可分为两类:耗能构件减震体系和阻尼器耗能减震体系。前者包括各种耗能支撑(如方框耗能支撑、圆形耗能支撑、K形偏心耗能支撑等)和耗能剪力墙(如横缝剪力墙、竖缝剪力墙、周边缝剪力墙和阻尼器剪力墙等)。后者包括摩擦阻尼器、弹塑性耗能器(软钢耗能器、铅挤压阻尼器、记忆合金耗能器等)、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器等。耗能减震技术吸收了传统的延性结构的设计思想,同时又克服了延性构件损坏后难以修复的缺点,具有性能稳定、技术条件简单、适用范围广、经济可靠等优点,已在新建工程、建筑抗震加固及震后修复工程中得到广泛的应用。耗能减震体系适用于高层建筑、超高层建筑和高耸构筑物,对抗震和抗风都有效,而且性能可靠,但装设数量少时作用不大,数量多时造价显著增加。


  2主动控制


  结构主动控制是利用外部能源,在结构受激励振动过程中,对结构施加控制力或改变结构的动力特性,从而迅速地减小结构的振动反应。主动控制系统主要包括传感器、控制器和作动器3个组成部分。


  目前有关主动控制的研究内容主要分为主动控制算法和主动控制装置研究两部分。主动控制装置主要有主动质量阻尼系(AMD)、主动拉索系统(ATS)、主动支撑系统(ABS)、主动空气动力挡风板控制系统(ADA)和气体脉冲发生器控制系统(PC)等。主动控制算法是主动控制的基础,它的目标是使主动控制系统在满足其状态方程和各种约束条件下,选择合适的增益矩阵,寻找最优的控制参数,使系统达到较优的性能指标,实现对结构的最优控制。目前,它的研究基本上是以理论分析、数据模拟分析为主,且已取得较大的成就,但主动控制技术尚未成熟。从目前已有的研究来看,其可行性还受到一些条件的制约:


  2.1主动控制系统在地震中运作问题。日本采用AMD和HMD的高层建筑,在风振和环境振动时主动控制系统运作正常,取得很好的控制效果。但在大地震时,很大部分的主动控制系统因故未能运作。


  2.2时滞问题。主动控制系统在工作时由于信号处理、运算、电液伺服作动自动作等都需要一定的时间,因此时间滞后问题是不可避免的。时滞对控制系统的性能有很大影响,它使系统稳定性变差,控制效率降低,甚至可能产生负效应。目前,可以通过补偿的方法来修正时滞。


  2.3能量问题。主动控制系统的运作需要依靠外部能源的输入,如何在地震中保证有可靠的能源,需要特别注意。


  2.4设备维护问题。作为生命线工程的大跨度桥梁的使用寿命最少为几十年,甚至上百年,相应的主动控制系统也需要在这么长的时间内保持使用功能完备,如何能保证系统的完善,特别是作为核心构件的计算机的有效性也是需要解决的问题。


  3半主动控制


  半主动结构控制参数控制,它是依赖于结构的振动反应或动荷载的信息实时改变结构的参数来减小结构的反应。它更易于实施,并且它的控制系统更为可靠。半主动结构控制的控制效果优于被动控制,略逊于主动控制。半主动控制不需要外界能量输入,因而是一种很有发展前景的抗震控制方法。刘季研制了变刚度半主动控制系统并成功地完成了振动台试验,是我国第一个半主动振动试验。刘文锋对变结构控制系统进行了研究。这种措施的实质是瞬时地改变结构的动力特性,使之能够主动地适应外荷载的变化。


  4混合控制


  混合控制就是结构中简单地联合施加主动控制和被动控制,以减少结构在外界荷载作用下的动力响应,提高结构的抗震、抗风能力。例如,底层大空间高层建筑结构的质量比柔性底层的多层建筑的质量大得多。因而,其底层和上部结构的地震反应就很大,必须控制。HDS这种被动控制系统能够有效地减少底层地震反应,但它对上部结构的控制效果相对较差;而安装在结构顶端的AMD主动控制系统又有显著的控制效果,但它需要较大的控制力和相应设备,却又较难实现。祁凯提出了采用混合控制系统HDS-AMD控制该类建筑地震反应的控制方法。该控制系统包括两部分,即安装在底层的HDS被动控制和安装在顶层的AMD主动控制系统。


  5结论


  目前,被动控制的研究较热,这其中基础隔震的技术已相对成熟,主要用于桥梁及以剪切变形为主的刚性结构上。上部结构的耗能减震技术发展也较快。随着研究工作的进展,相信在该项技术的应用上会有较大进展。结构的主动控制以及以参数控制为标志的第二代结构振动控制——半主动控制和智能控制,至少目前还很难在我国大量应用。这里既有技术的原因,也有经济的原因。所以我国目前仍应以研究、推广和应用被动控制技术为主。

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