结构振动控制的概念及分类.docx

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结构振动控制的概念及分类

耗能方案

性能来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，以满足结构抗震设防标准，小震不坏，

可能无法满足安全性的要求；另一方面，在满足设计要求的情况下，结构构件的尺寸可能需做得很大

木工程领域新兴一种新型的抗震方式——结构振动控制，即对结构施加控制机构，由控制机构和结构

半主动控制和混合控制。

是由控制装置随结构一起振动变形而被动产生的。

被动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸

是由控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。

主动控制系统由传感器、运算器和施力作

术。

主动控制有主动拉索系统（ATS、主动支撑系统（ABS、主动可变刚度系统（AVSS、主动质期开始研究主动控制。

目前，主动控制在土木工程中的应用已达30多项，如日本的Takenaka实验

控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调

置、半主动TMD半主动力触动器、半主动变刚度装置和半主动变阻尼装置等。

主动控制，或者是同时应用不止一种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装

:

同时采用AMD和TMD勺混合控制系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统以及主动控制和

京的清水公司技术研究所。

，但由于建筑结构体形巨大导致所需的外加能源较大，加之控制装置的控制的算法比较复杂，而且存

好，容易实现，目前发展最快，应用最广，尤其是其中的基础隔震技术已相当成熟，并得到了一定程

主动控制低廉，而且不需要较大的动力源，因此其具有广阔的应用和发展前景；混合控制综合了某几

和耗能减震技术。

置控制机构来隔离地震能量向上部结构传输，使结构振动减轻，防止地震破坏。

目前研究开发的基础和混合隔震等。

近年来，越来越多的国家开展了基础隔震技术的研究，因此，隔震技术也得到了飞速：

日本94栋，美国21栋，中国46栋，意大利19栋，新西兰16栋，已采用了基础隔震技术。

最近有

使结构的振动能量分散，即结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配，从而达到减小主结构振

尼器（LD）;（3）质量泵；（4）液压一质量控制系统（HM$;（5）空气阻尼器。

其中，应用最多两个重00吨的TMD质量块在9米长的钢板上滑动，它很好地减小了大楼的风振反应，防止了玻璃幕nade桥的桥塔均安装了TMD其减震效果均令人十分满意。

日本的Yokohama海岸塔是一个高101米析表明，安装了TLD后塔的阻尼比由0.6%增加到4.5%，在强风作用下塔的加速度减小到原来的1/3

TLD以控制其风振反应。

支撑、剪力墙等）设计成耗能构件或在结构物的某些部位（节点或连接处）装设阻尼器。

在风载和小

的使用要求，在强烈地震作用时，耗能构件或阻尼器率先进入非弹性状态，从而保护主体结构在强震主要有：

（1）金属阻尼器；

（2）摩擦阻尼器；（3）粘滞阻尼器；（4）粘弹性阻尼器；（5）复合型阻尼

滞回性能，因而被用来制造各种类型的耗能装置。

常用的金属阻尼器有：

软钢阻尼器、铅阻尼器和形后性能，进入塑性阶段后具有良好的滞回特性。

1972年Kelly首先进行金属阻尼器的研究和实验的；

形软钢阻尼器（TADAS的减震特性。

目前这两种阻尼器是国内外研究较多的软钢阻尼器。

由于软钢优点，因此引起了国内外学者的广泛关注，并已在一些建筑物上开始应用。

例如，在意大利Naples幢钢筋混凝土结构上均安装了软钢阻尼器，其中美国和墨西哥的情况是为了对原有结构进行抗震加固状制作不合适，会引起滞回环的畸变。

、塑性高、强度低、润滑能力强等特点，同时由于铅具有较高的延性和柔性，故在变形过程中可以吸织和性能还可恢复至变形前的状态，因此铅阻尼器具有以下优点：

（1）使用寿命不受限制；

（2）提供性差和铅对环境造成污染等缺点。

功能的新型材料，它与传统材料的区别是具有高阻尼和大变形超弹性特性，能够重复屈服而不产生

金和Fe基合金等。

90年代初，一些学者对形状记忆合金阻尼结构的地震反应进行了研究。

Aiiken等了试验研究；美国国家地震工程研究中心对装有铜锌铝记忆合金装置的5层钢结构模型进行了试验研有形状记忆合金阻尼器的桥梁的减震进行了系统的研究。

究开发的摩擦阻尼器主要有：

Pall摩擦阻尼器、Sunitome摩擦阻尼器、摩擦剪切铰阻尼器、滑移型较大的附加阻尼。

荷载大小和频率对其性能的影响不大，且构造简单，取材容易，造价低廉，因而具静接触，会产生冷粘结或冷凝固，所期望的摩擦系数发生改变。

在地震作用时，滑动面产生滑动而使擦阻尼器及装有摩擦阻尼器的结构体系的试验研究和分析较多，已建立了一套专用的设计方法并编制

馆共使用了60个摩擦阻尼器；加拿大民航大楼共使用了58个摩擦阻尼器；日本Omiya市31层的1988年的Saguenay地震中受损，其抗侧能力和延性均不能满足规范要求，为此在支撑上安装了摩

。

活塞在缸筒内可作往复运动，活塞上有适量小孔，筒内盛满流体，当活塞与筒体产生相对运动时，活塞上孔的数量和筒内流体的体积，可根据阻尼器所需提供的阻尼值来确定，流体可为硅油或其它粘尼力与结构的位移反应和柱中弯矩异相，因此该阻尼器在减小结构层间位移和剪力的同时，不会在柱阻尼器的加工制作较难，粘滞流体易发生渗漏。

船舶、设备和管网的减震中，最近几年才应用于土木工程，目前已有一些工程应用实例。

如美国洛山

在意大利的一座长1000米，重25000吨的桥梁的每一个桥台下安装了粘滞硅胶阻尼器，阻尼器重2美国新SanBermardino医疗中心也使用了粘滞阻尼器，共安装了233个阻尼器。

板组成。

图1为常用的粘弹性阻尼器，它由两块T形约束钢板夹一块钢板所组成，钢板之间夹有粘弹点、桁架下弦杆上或毗邻建筑之间，当结构层间发生位移时，粘弹性阻尼器会产生剪切滞回变形，耗

能性能的主要因素是温度、频率和应变幅值。

其影响规律为，其耗能能力随着温度的增加而降低：

的增加而增加，但在高频下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至一平衡值；

响是次要的，但在大应变的激励下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至一平衡值。

关系，学者们提出了各式各样的计算模型，主要有：

（1）Kelvin模型；

（2）Maxwell模型；（3）标准

尼结构。

许多研究者对粘弹性阻尼结构的动力特性和动力反应进行了研究（见表1），从这些试验和

/5比例的模型框架

框架

土模型框架

框架型框架

层足尺钢框架

架

和阻尼增加，自振频率增加，周期减小。

构明显的阻尼以致于结构表现为弹性，地震反应大大地减小，位移、加速度、层间位移和层间剪力都致结构损坏的结构滞回能仅占很小的一部分，因此在遭受同样的地震下粘弹性阻尼结构产生较少的塑筋混凝土结构，安上粘弹性阻尼器后它们都表现出以上特性。

显著增加，粘弹性阻尼器正是通过改变结构的动力特性以达到减震目的。

粘弹性阻尼结构的动力特性）模态应变能法；

（2）增量刚度和增量阻尼法；（3）改进的模态应变能法。

阻尼器的每圈耗能与系统最大应变能的比值确定出等效阻尼比，近似估计结构的阻尼效应。

的附加刚度和结构阻尼比为：

（2）

；为第j振型下粘弹性阻尼器循环一圈所耗的能量；为第j振型下系统的应变能。

在实际应用中，

增量刚度矩阵和增量阻尼矩阵

（3）

是一无量纲的支撑位置矩阵。

尼贡献为

比为：

（5）

对于一个微小的刚度增加，阻尼比总值为附加阻尼比和原阻尼比之和

j振型下的阻尼比可由下式确定

1994年在模态应变能法的基础上提出，对于粘弹性剪切型建筑在第

系数。

对于粘弹性弯曲型建筑在第j振型下阻尼比

变小于设计应变时可很好地预计粘弹性阻尼结构的性能；增量刚度和增量阻尼法概念清晰，但计算较

的应用已有较长的历史，在土木工程中的应用早期主要用于结构的抗风减振工程中，近年来已开始在

1米，为一钢—混凝土建筑，平面呈三角形。

为减小风振影响，在运动部位较大处和受力部位较大处各杆件内力，以此决定把粘弹性阻尼器安放在最有效的位置上，结果有1/6的斜撑设有粘弹性阻尼器上，每层约100个，共安装了约20000个阻尼器，每只重约13.6千克。

实际工程应用,目前北京50层首都规划大厦拟采用粘弹性阻尼器以减小结构的风振反应和地震反应。

用概况

桁架下弦杆

主斜撑杆节点上

柱间人字型支撑上

震柱间斜撑上

台试验及大量的结构分析表明，在结构中安装粘弹性阻尼器可减小风振反应和地震反应40%-80%

定的范围内。

西雅图哥伦比亚中心大厦起初是因为在风振的影响下,顶部几层有明显的不舒适感，安效果，需要把现有的柱尺寸扩大一倍，粗算价值约800万美元，显然采用增加刚度的办法是难以接受尼器减小建筑的风振或地震效应在经济上是相当可观的。

论：

风振及地震反应；应在经济上节约了一定的资金，降低了建筑造价；

现象；

造价低廉；

既可用于结构的抗风减振工程中又可用于结构的抗震减震工程中，既可用于建筑结构中又可用于塔桅

和社会意义，可避免地震和强风作用所造成的次生灾害和经济损耗，确保人民生命财产安全。

广阔的应用和发展前景。

件组合而成的新型耗能减震装置。

目前已研制开发的复合型阻尼器有：

铅粘弹性阻尼器、铅橡胶阻尼

的深入，许多国家相继制订出台了相应的耗能减震结构设计、施工规范和规程。

订了一系列试行条款，对金属耗能器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器的设计方法作了规定，提出在设计

993年，美国加州结构工程师协会（SEANOC又颁布了有关耗能减震技术的暂行规定，其中明确指出抗震安全委员会（BSSC也制订了类似内容，对该项技术的推广创造了条件。

俄罗斯也制订和颁布了结构在地震荷载作用下的计算方法，如反应谱法、时程分析法等，另一方面也列举了相关结构的设计

也已增加了隔震和耗能减震方面的相关内容，以加速和规范该项技术的实施。

提供了一条崭新的途径，它克服了传统结构“硬碰硬”式的抗震设计方法，具有概念简单、减震机理和应用已取得了很大进展，但仍处于研究和试点阶段，在成为常规应用技术之前，尚须解决以下问题

、开裂等），对已有耗能减震装置的可靠性、耐久性进行深入研究；

装置，为大范围推广该项技术奠定基础；

析，给出具体的计算模型，尽快使其标准化、系列化，便于设计中推广使用；

震效果的定量分析；

况的研究；

点工程的建设，完善耗能减震体系的设计、施工方法与标准，编制相应的计算分析软件；

及已有建筑物改造的研究和应用。

果好，并具有安全适用、经济方便等优点，故必将成为一种崭新的结构体系。

可以预言，耗能减震技大贡献。