结构振动控制发展现状研究

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【摘要】 随着结构的发展，高耸和大跨度结构越来越多，这就给设计带来一系列的问题。其中振动问题成为高耸和大跨度结构的主要问题，本文主要阐述了结构振动控制在国内外的发展现状，对于工程研究有一定的指导意义。
　　 【关键词】 高耸结构；振动控制；发展现状；工程研究
　　
　　 结构振动控制是一个应用领域广泛的工程问题。所谓结构振动控制(以下称为结构控制)是指采用某种措施使结构在动力载荷作用下的响应不超过某一限量,以满足工程要求[1]。
　　 随着现代工业的发展和工程技术的进步,结构向大型化、柔性化发展,与此同时结构的工作环境变得更加多样化复杂化。而传统结构抗震设计是通过加大构件尺寸、提高材料强度等来加强结构自身的抗震能力，这些方法除了对随机振动的适应性不佳外,保护目标也比较单一,而且使结构造价大大增加。这样就导致振动问题日益突出,结构振动控制成为十分重要的而且具有挑战性的课题[2]。
　　 一、结构振动控制的发展现状
　　 上世纪80年代发展起来的结构振动控制技术可以有效地抑制结构的振动响应。1912年,美国学者J.T.P.Yao首先应用控制理论研究土木工程结构振动控制问题,立即引起了广大学者的兴趣,并继而进行了卓有成效的研究。结构振动控制技术根据所采用的控制措施是否需要外部能源可分为以下4类:被动控制、主动控制、半主动控制及混合控制。结构振动控制能有效提高结构的安全性,具有重要的实用意义。被动控制分为隔振、消能减振和调谐减振三大类。
　　 1、粘弹性阻尼减振
　　 粘弹性阻尼减振是耗能减振的一种。耗能减振技术是在结构中设置一些耗能装置以达到减振的目的。耗能减振的原理是,安装在结构中的耗能装置在结构振动时发生塑性屈服或摩擦滑动或克服阻尼力做功,将结构的部分动能转化为热能而耗散掉,从而达到减振的目的。耗能减振技术因其减振效果好、构造简单、造价低廉、适用范围广、维护方便等特点而愈来愈受到国内外学者的重视,多种不同类型的阻尼器已被研制出来且在应用中取得了良好的效果和经济效益。
　　 图1所示粘弹性阻尼器一般由粘弹性材料和约束钢板组成，其耗能机理主要依靠粘弹性材料的剪切滞回耗能特性来增加结构的阻尼,减小结构的动力反应。粘弹性材料属于高分子聚合物,既具有弹性性质,又具有粘性性质，前者可以提供刚度,后者可以提供阻尼，因此可以耗能减振。粘弹性阻尼器性能可靠、造价低、安装方便、经久耐用，适用于各种动荷载引起的结构振动减振等。近年来开发出的装置还有:沥青橡胶组合粘弹性阻尼器、粘弹性橡胶剪切阻尼器、超塑性硅氧橡胶粘弹剪切阻尼制震系统、杠杆粘弹性阻尼器。粘弹性材料在结构工程中的应用始于19 9年建成的美国110层的纽约世界贸易中心。为减小风振反应，该结构的两座塔楼上各装有10000个粘弹性耗能器。1993年,美国加州SanJose市一座位于地震高烈度区的13层钢结构建筑采用了这种阻尼器进行抗震加固。
　　 2、调谐质量阻尼减振
　　 可调谐质量阻尼减振最早是由Den Hartog在40年代提出。它的基本原理类似于动力吸振器。其示意图见图2：
　　 目前TMD已在考虑风荷载的条件下建筑结构的振动控制中得到很好的应用。今年来人们开始将TMD应用于考虑地震作用下建筑结构的振动控制中，并对其有效性进行分析和实验。分析结果表明再考虑同一个建筑物在不同地震输入作用下，以及在考虑同一条地震输入作用下不同建筑物的情况下，TMD对控制建筑结构振动有着不同的效果。也就是说，TMD的效果对地震地面运动的频率依赖性较大，当结构固有频率接近地面运动主频率时，TMD能够有效地控制结构的振动；但当结构固有频率远离地面运动主频率时，TMD的效果将远远降低。也即TMD对减少结构的第一阶模态振动有明显的效果。但对高阶模态的效果不是很明显。
　　 为了克服TMD的不足之处，Clark提出在建筑物中用多个TMD(MTMD)与结构相连，每个TMD的质量和阻尼系数相同，MTMD的平均频率和结构的固有频率相同。分析可知MTMD能够在较宽的频带里控制结构的振动。而且，优化MTMD比优化TMD更为有效。Setareh提出用两个TMD串联后与建筑物相连（DTMD），分析可知在简谐激励零均值随机白噪声激励下，采用DTMD比采用单个TMD更为有效。
　　 到目前，世界上已有许多建筑物安装了TMD，这些已安装的建筑物主要考虑风载作用下的振动相应的控制。
　　 二、我国的结构振动控制技术的发展现状
　　 我国自80年代后期开始研究隔震技术，199 年后转向工程试点和推广应用,相继推出了橡胶隔震技术规程、隔震支座产品标准等，并在《建筑抗震设计规范》中,增加了隔震和消能减振内容，表明隔震技术的研究与应用已逐步趋向成熟,将在我国得到规范化的推广应用。1998年北京饭店抗震加固中采用了法国JARRET公司生产的油缸式粘滞阻尼器。1998年北京火车站采用了美国Taylor公司生产的油缸式粘滞阻尼器进行抗震加固。近几年,摩擦耗能减振技术也有蓬勃发展,我国学者和工程设计人员也正致力于该技术的研究与工程应用。单一不变的锁紧力往往不能满足不同强度地震的消能要求，为此，张维熨、杨巍彪发展了多级摩擦阻尼器。武汉工业大学瞿伟廉教授研制开发的被动及半主动摩擦阻尼器取得了明显的减振效果。粘弹性阻尼器在我国的土木工程中也得到越来越多的应用。宿迁市13层交通大厦采用国产粘弹性阻尼器进行减振设计，计算表明，设置粘弹性阻尼器后提高了结构的抗震可靠度,节约结构造价约10%，且使用面积也有所增加。
　　 参考文献
　　[1]龙旭.结构速度相关型阻尼减振体系抗振分析[D]. 哈尔滨工业大学:设计与试验研究,2004
　　[2](美) Yao J T P. Concept of Structure Control [J]. ASCE, Journal of the Structure Division.1912, 98:15 1-1514
               
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