調(diào)諧質(zhì)量減震技術(shù)的研究及其應(yīng)用前景

何明勝,石桂菊,張紅彬,劉成剛

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,石河子832003)

調(diào)諧質(zhì)量減震技術(shù)的研究及其應(yīng)用前景

何明勝,石桂菊,張紅彬,劉成剛

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,石河子832003)

闡述了調(diào)諧質(zhì)量減震技術(shù)的減震原理及研究現(xiàn)狀,歸納了影響調(diào)諧質(zhì)量減震技術(shù)減震效果的因素及各因素對減震效果影響的規(guī)律,并且指出各因素存在參數(shù)優(yōu)化的問題;通過對該技術(shù)工程應(yīng)用的分析,提出目前調(diào)諧減震技術(shù)的可行性及存在的問題;綜合分析了近幾年調(diào)諧減震技術(shù)的主要發(fā)展方向,提出了該技術(shù)深入發(fā)展所需要解決的若干問題。

振動控制;調(diào)諧質(zhì)量減震;研究;應(yīng)用

Abstract:The theory and present condition of research of tuned mass control is introduced briefly.Factors that influence the efficiency of tuned control as well as its influence discipline are investigated.Also,optimizing factors exist.It points out feasibility and open questions of this technology through the analysis of practical application.Finally,the recent main development trend of this technology is synthetically analyzed,and several issues to be resolved to make tuned control grow better are put forward.

Key words:vibration control;tuned mass control;research;application;development

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高,高層建筑及超高層建筑如雨后春筍般出現(xiàn)在人們的視野中,在節(jié)約用地和展現(xiàn)城市面貌的同時,這些建筑也面臨著諸如風(fēng)振、地震等安全性問題。傳統(tǒng)抗震方法以“抗”為主要途徑,通過加大結(jié)構(gòu)斷面、加多配筋來抵抗地震,其結(jié)果是斷面越大,剛度越大,地震作用也越大,所需斷面及配筋也越大。這種惡性循環(huán),不僅難以保證安全,也使“抗震”所需的建筑造價大大提高。因此,自20世紀(jì)70年代初現(xiàn)代控制理論引入到土木工程的振動控制中后,對于振動控制的理論、試驗和應(yīng)用的研究成果也大多集中在多、高層和高聳建筑中。

調(diào)諧質(zhì)量減震技術(shù)是結(jié)構(gòu)振動控制中的一種。該技術(shù)的核心部件是調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD),它是一個小的振動系統(tǒng),由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成。它對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動控制的機理是:原結(jié)構(gòu)體系由于加入了 TMD,其動力特性發(fā)生了變化。原結(jié)構(gòu)承受動力作用而劇烈振動時,由于 TMD質(zhì)量塊的慣性而向原結(jié)構(gòu)施加反方向作用力,其阻尼也發(fā)揮耗能作用,從而使原結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)明顯衰減。在高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制中應(yīng)用最多,也發(fā)展的比較成熟。

調(diào)諧減震技術(shù)一般從較窄頻域振動控制入手,但地震反應(yīng)的頻域相對較寬,單個 TMD不能有效對抗,這就有了多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(multiple tuned mass damper,MTMD)的提出和推廣。但是,地震作用較為迅速,每個 TMD是否反應(yīng)或是否充分反應(yīng)都關(guān)系到其減震的有效性?？梢?地震反應(yīng)的特殊性是調(diào)諧減震技術(shù)的一個難題,也正是因為這些問題的存在使得調(diào)諧減震技術(shù)有較大改進(jìn)和發(fā)展空間。

本文闡述了調(diào)諧減震技術(shù)的研究現(xiàn)狀,歸納了影響調(diào)諧減震技術(shù)減震效果的因素,以及該減震技術(shù)有待研究的若干問題,提出了該技術(shù)進(jìn)一步研究的發(fā)展方向。

1 調(diào)諧減震理論研究

1.1 調(diào)諧減震技術(shù)原理

常用的調(diào)諧減震控制系統(tǒng)有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)、調(diào)諧液體阻尼器(tuned liquid damper,TLD)、質(zhì)量泵控制器等。TMD系統(tǒng)的控制效果對輸入地震動頻率的依賴性較大,TLD系統(tǒng)是通過容器中液體的晃動來消耗和吸收結(jié)構(gòu)振動的能量,從而達(dá)到控制結(jié)構(gòu)振動的目的。本文主要介紹 TMD的研究及應(yīng)用進(jìn)展。

作為調(diào)諧減震控制系統(tǒng)中的核心部件,TMD是附加在主結(jié)構(gòu)中的一個子結(jié)構(gòu),由質(zhì)量塊、彈簧、阻尼器組成。質(zhì)量塊通過彈簧(連接件)和阻尼器(耗能減震裝置)與主結(jié)構(gòu)連接在一起,一般支撐或懸掛在主結(jié)構(gòu)上。質(zhì)量塊的存在使原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了附加的質(zhì)量、剛度和阻尼,通過子結(jié)構(gòu)的這些基本特性調(diào)諧其自振頻率,可以使其盡量接近主結(jié)構(gòu)控制振型的振動頻率。這樣,當(dāng)結(jié)構(gòu)在外激勵作用下產(chǎn)生振動時,主結(jié)構(gòu)帶動 TMD系統(tǒng)一起振動,TMD系統(tǒng)相對運動產(chǎn)生的慣性力反作用到結(jié)構(gòu)上,對結(jié)構(gòu)的振動產(chǎn)生控制,TMD系統(tǒng)中的阻尼器也將發(fā)揮耗能作用,從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)的目的[1]。

1.2 調(diào)諧減震理論研究

調(diào)諧減震的設(shè)計思想可以從兩個方面來考慮:

1)在中小震作用下,結(jié)構(gòu)處于彈性階段,調(diào)諧減震系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)除了減小地震作用以外,主要是避免因傳統(tǒng)抗震而增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷面,從而極大地降低工程造價。

2)在大震作用下,結(jié)構(gòu)一般處于彈塑性狀態(tài),位移較大,調(diào)諧減震系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)就是利用質(zhì)量塊與基本結(jié)構(gòu)的相對運動減小結(jié)構(gòu)的位移,有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)不受損傷或破壞。

1.2.1 TMD的有效性

一項技術(shù)被應(yīng)用于實際工程一般需經(jīng)歷概念的提出、理論研究和工程應(yīng)用3個階段。Cecchi等[2]將TMD的發(fā)展歸結(jié)為單個 TMD研究、MTMD研究及TMD概念擴(kuò)展3個階段。自 TMD概念被提出以后,國內(nèi)外學(xué)者針對應(yīng)用于調(diào)諧減震技術(shù)的TMD系統(tǒng)作了大量的研究工作,取得了許多有益的成果。隨著 TMD系統(tǒng)研究逐漸深入,針對 TMD是否具有減震效果,很多學(xué)者提出了不同觀點。

1)TMD對減震有效。

McNamara[3]在1977年對附設(shè)一個 400 t重TMD的Citicorp Center進(jìn)行研究,驗證了其在風(fēng)振作用以及在白噪聲激勵下對減振的有效性。Wirsching和 Yao[4]對一幢5層和10層鋼結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn),TMD對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制是有效的。周福霖[5]指出,被動調(diào)諧減震控制體系可以有效地控制高層建筑、大跨橋梁、高聳塔架等柔性建筑在地震作用下的振動。

2)TMD對減震無效。

Sladek和 Klinger[6]基于 Den Hartog理論對El-Centro地震波作用下的無阻尼結(jié)構(gòu)-TMD系統(tǒng)模型的數(shù)值模擬結(jié)果顯示,TMD在減小此結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)方面是無效的。

3)TMD在特定情況下有效。

Villaverde R[7]選用9條實測地震記錄對3種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了 TMD控制研究,結(jié)果表明在某些情況下 TMD是有效的,而在另一些情況下 TMD有效性較差,甚至是無效的,同時還指出 TMD的有效性依賴于輸入地震動的頻率。Villaverde[8]對TMD的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制的研究表明,如果結(jié)構(gòu)-TMD系統(tǒng)前二階模態(tài)阻尼比等于結(jié)構(gòu)阻尼比和TMD阻尼比的平均值時,TMD能夠有效地減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

大量的理論和試驗研究表明,TMD的有效性與很多因素有關(guān),當(dāng)參數(shù)設(shè)置合適,減振效果的有效性非常明顯;參數(shù)設(shè)置不合適,有效性降低或者趨于無效。

1.2.2 TMD減震效果影響因素分析

鄔傳宇等[9]研究了 TMD系統(tǒng)參數(shù)對高聳結(jié)構(gòu)地震控制的影響,得出影響其減震效率的主要因素為:結(jié)構(gòu)的阻尼比、TMD的阻尼比、TMD系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的頻率比、TMD系統(tǒng)與主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比等,并且給出了這些參數(shù)與TMD系統(tǒng)減震效率之間的關(guān)系曲線。許多學(xué)者對 TMD系統(tǒng)的動力特性作了深入研究,并得出一些相似的結(jié)論:

1)TMD系統(tǒng)與主結(jié)構(gòu)質(zhì)量比對減震控制的影響。

楊澤華等[10]研究結(jié)果表明,當(dāng)子結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)質(zhì)量比μ=0.3～0.7時控制效果最佳,當(dāng)μ>0.7時效果就不明顯了。楊雅平等[11]對第一振型控制下的子結(jié)構(gòu)質(zhì)量對減震效果影響的數(shù)值模擬結(jié)果表明,裝設(shè) TMD對結(jié)構(gòu)的頂層位移有減小作用,且隨子結(jié)構(gòu)質(zhì)量的增大,結(jié)構(gòu)反應(yīng)降低幅度也隨之增大。

2)阻尼比對減震控制的影響。

張文芳[12]經(jīng)計算分析表明,調(diào)諧體系子結(jié)構(gòu)的阻尼越大,其地震反應(yīng)一般會減小,而基本結(jié)構(gòu)的反應(yīng)一般會增大些,當(dāng)基本結(jié)構(gòu)的阻尼增大時,地震反應(yīng)會減小。楊澤華等[10]的分析表明,阻尼比越大減震效果越明顯,說明增加阻尼比是控制地震反應(yīng)的一個有效手段。

3)頻率比對減震控制的影響。

歐進(jìn)萍等[13]和王肇民[14]對 TMD的減震分析表明,當(dāng) TMD的自振頻率與主體結(jié)構(gòu)的基頻相等或相近時,減震效果最好。楊澤華等[10]指出,當(dāng)?shù)刃ьl率比η=0.9～1即子結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)的頻率相近時,減震控制將取得最佳效果。實際上要考慮附加的質(zhì)量塊會使主體結(jié)構(gòu)頻率略有降低,所以頻率比可以略小于1.0。

綜上所述,減震結(jié)構(gòu)控制效果的影響因素都存在一個參數(shù)優(yōu)化問題。蘇榮華等[15]對 TMD用于結(jié)構(gòu)減震控制中參數(shù)優(yōu)化問題做了研究,主要內(nèi)容包括 TMD的設(shè)置位置、頻率、阻尼等參數(shù)以及TMD對與其非調(diào)諧的結(jié)構(gòu)振型地震反應(yīng)的作用進(jìn)行了分析,導(dǎo)出了最優(yōu)參數(shù)的計算式,為 TMD在結(jié)構(gòu)抗震方面的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

藍(lán)宗建等[16]提出了 TMD參數(shù)有效域的概念,利用參數(shù)有效域而不是某一個目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行 TMD系統(tǒng)設(shè)計,從而有效提高了 TMD可靠性,進(jìn)一步促進(jìn)了TMD減振技術(shù)的推廣使用。

1.2.3 MTMD理論研究

許多研究表明,TMD的控制作用僅限于較窄頻域內(nèi),即 TMD的自振頻率被調(diào)頻到結(jié)構(gòu)第一振型頻率附近時,對結(jié)構(gòu)第一振型反應(yīng)有較好的控制效果,但對高階振型反應(yīng)的抑制較差,使得單個TMD無法有效滿足結(jié)構(gòu)所需的控制效果。因此,國外一些學(xué)者提出了使用多個具有不同動力特性的TMD,即/MTMD對結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的想法,以提高TMD的控制效果和穩(wěn)定性。

MTMD在設(shè)計上仍是以 TMD原理為理論基礎(chǔ)。它允許主結(jié)構(gòu)保證最低材料用量的同時具備較大的剛度,而且柔性子結(jié)構(gòu)部分由一個或少數(shù)幾個樓層組成。這一控制結(jié)構(gòu)可局部改變結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量、配筋和延性等,通過子結(jié)構(gòu)消能減振。

1.2.3.1 MTMD機理研究

在MTMD機理研究方面,國外較早進(jìn)行研究的有 Iwanami和 Seto[17]、Yamaguchi和 Harnpornchai[18]以及 Abe和 Fujino[17],他們不但提出 MTMD用于減振的新思想,研究了MTMD的控制機理,而且還采用動力放大系數(shù)法和攝動分析法,給出了MTMD參數(shù)的攝動近似解。

在國內(nèi),李春祥[20]給出了實際工程適合選用的MTMD-1模型(各 TMD的剛度和阻尼都相等,而質(zhì)量及阻尼比都不相等)。另外,李春祥[21]提出剛度和阻尼系數(shù)保持常量但質(zhì)量線性分布的MDMTMD是土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的最佳MTMD模型策略。余錢華等[22]根據(jù)能量守恒原理推導(dǎo)出了地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的能量表達(dá)式,從地震能量輸入、地震能量分配與耗散二方面闡述了MTMD的制振機理。

1.2.3.2 MTMD減震效果影響因素分析

與TMD研究方法類似,MTMD是否能達(dá)到最優(yōu)減震效果,其影響因素除了在研究 TMD中所必須涉及的阻尼比、質(zhì)量比、頻率比等因素以外,還與TMD個數(shù)、質(zhì)量塊作用位置等因素密切相關(guān)。與TMD的研究相比,MTMD的影響因素更多也更為復(fù)雜,主要如下:

1)頻帶寬度的影響。

李黎[23]通過對MTMD系統(tǒng)的參數(shù)研究指出,頻帶寬度約取0.2左右,取的太小,其減震效果類似于單個 TMD;取的太大,有些 TMD將失去作用使得控制效果損失很多。蔡國平[24]的研究分析結(jié)果也表明,MTMD系統(tǒng)存在著一個優(yōu)化頻率分布范圍值(本例取0.17),使得建筑結(jié)構(gòu)的頻響曲線在一個較寬的頻帶內(nèi)保持較為平坦以及峰值最小?？迪Ａ糩25]在懸吊質(zhì)量擺的研究中指出,該結(jié)構(gòu)的減震效果與質(zhì)量擺的頻率關(guān)系很大,當(dāng)懸吊質(zhì)量擺的頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率相同時,減震效果最顯著。孫穎[26]對MTMD用于橋梁減振的研究結(jié)果表明,阻尼器頻率取除2.4 Hz之外的值時,頻帶拓的越寬,橋梁跨中節(jié)點位移變化曲線越平緩,說明減振效果越好。

2)阻尼比的影響。

李黎等[23]研究了 TMD阻尼比對結(jié)構(gòu)減震控制效果的影響,結(jié)果表明:阻尼比太小時,控制效果不穩(wěn)定;阻尼比太大時,TMD的共振反應(yīng)降低了,控制效果反而大大下降。蔡國平等[24]認(rèn)為,MTMD存在著一個優(yōu)化阻尼系數(shù),使得MTMD耗散結(jié)構(gòu)的能量最大。李春祥[27]也得出相近的結(jié)論,并認(rèn)為阻尼比最優(yōu)取值區(qū)間為[0.01,0.02]。李春祥和黃金枝[28]認(rèn)為,MTMD系統(tǒng)在設(shè)定不同參數(shù)值時,最優(yōu)阻尼比的取值也是不一樣的,并給出了表格以供查詢。藍(lán)宗建等[29]對巨型框架的減振效果分析表明,結(jié)構(gòu)的減震效果與隔震層(即子結(jié)構(gòu))的阻尼比有關(guān),阻尼比愈大,減震效果愈好,但減震效果的提高幅度逐漸降低;當(dāng)阻尼比大于某一值時,減震效果不再顯著變化。

3)TMD個數(shù)的影響。

李黎[23]對 TMD個數(shù)的研究表明,增加 TMD的個數(shù)其實質(zhì)就是增大MTMD的頻帶寬度,個數(shù)太少,作用微弱,個數(shù)太多,作用損失。蔡國平和孫峰[24]對TMD個數(shù)問題的研究表明:TMD的個數(shù)增加,相當(dāng)于減小了結(jié)構(gòu)的伴生共振響應(yīng),但當(dāng)TMD的個數(shù)增加到一定數(shù)量時,結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化將趨于穩(wěn)定,即存在著一個 TMD個數(shù)優(yōu)化問題。李春祥[30]給出了不同參數(shù)之間的影響關(guān)系,即質(zhì)量比一定的情況下,TMD個數(shù)越多時,最優(yōu)頻帶寬度越大,最優(yōu)阻尼比越小,減震效果越好,但當(dāng) TMD個數(shù)超過11時,以上最優(yōu)參數(shù)基本不變。薛松濤[31]用理論推導(dǎo)、試驗分析和數(shù)值模擬的方法得出TMD個數(shù)對減振的影響,即在總質(zhì)量一定的前提下,如果各個 TMD擁有相同的質(zhì)量、頻率和阻尼,則其個數(shù)的變化對減震效果影響很小。

4)總質(zhì)量比的影響。

李黎等[23]提出,增加 TMD、MTMD的質(zhì)量比都可以提高控制效果,但是到達(dá)某個值時,控制效果趨于飽和,即MTMD的質(zhì)量比存在最優(yōu)值。李春祥[27]對5種不同質(zhì)量比的頻率影響曲線給出了動力放大系數(shù),當(dāng)質(zhì)量比為0.01時,曲線最為平坦,即0.01為最優(yōu)總質(zhì)量比。韓西等[32]通過對拱橋豎向振動控制的研究指出,MTMD質(zhì)量過大不但會引起模型橋受控頻率漂移,而且對拱橋結(jié)構(gòu)的合理拱軸線影響很大,這些都會削弱MTMD的減振效果,所以建議MTMD的總質(zhì)量與主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量比一般應(yīng)在0.005～0.02之間。連業(yè)達(dá)等[33]對一種新型有控建筑結(jié)構(gòu)的巨、子結(jié)構(gòu)質(zhì)量比對結(jié)構(gòu)承擔(dān)風(fēng)載時的自控能力研究結(jié)果表明,隨著子結(jié)構(gòu)與巨型結(jié)構(gòu)質(zhì)量比的增大,結(jié)構(gòu)頂層側(cè)移響應(yīng)呈減小趨勢,當(dāng)子結(jié)構(gòu)質(zhì)量是巨型結(jié)構(gòu)質(zhì)量的2倍時,結(jié)構(gòu)的控振效果更好。

5)TMD設(shè)置位置的影響。

藍(lán)宗建[29]指出,次框架的位置越靠近上部,主框架的減振效果越顯著,建議將次框架均設(shè)置為隔震次框架,并且其自振頻率按從上至下依次增大的原則確定。涂文戈[34]對MTMD結(jié)構(gòu) TMD系統(tǒng)的作用高度及頻率對減震效果的影響研究結(jié)果表明:TMD設(shè)置于底層時,當(dāng) TMD頻率接近結(jié)構(gòu)自振頻率時,TMD的頻率變化比質(zhì)量變化對其振型的影響大;TMD設(shè)置于非底層時,被控制的模態(tài)振型將在TMD設(shè)置處發(fā)生變化,TMD質(zhì)量變化比頻率變化對振型的影響大。對于巨型框架子結(jié)構(gòu)的設(shè)置位置,李疏影[35]認(rèn)為要取得結(jié)構(gòu)某振型的最佳控制效果,該振型向量中元素絕對值最大者所對應(yīng)的質(zhì)點處是 TMD的最佳設(shè)置位置?？迪Ａ嫉萚25]通過對懸吊質(zhì)量擺的研究提出,為了達(dá)到最佳的減震效果,質(zhì)量擺宜設(shè)置在結(jié)構(gòu)的頂部幾層,且具體應(yīng)根據(jù)實際情況來定。

6)場地條件的影響。

劉保東[36]對MTMD的頻帶寬度進(jìn)行了研究,提出結(jié)構(gòu)所處的建筑場地條件決定了地震激勵的頻譜特性,當(dāng)場地的卓越周期小于或接近結(jié)構(gòu)被控模態(tài)的周期時,MTMD系統(tǒng)的減震效果較好;反之,控制效果不明顯,甚至?xí)哟蠼Y(jié)構(gòu)的響應(yīng)。另外,蔣建等[37]提出隨著阻尼比的增大,場地分類對阻尼比修正系數(shù)的影響程度逐漸增大。因此,在MTMD系統(tǒng)的設(shè)計時需要充分考慮建筑場地條件。

張丹和張洵安[38]導(dǎo)出了白噪聲激勵下MTMD對高層建筑風(fēng)振控制的動力放大系數(shù)的計算公式,在總質(zhì)量比一定時,阻尼系數(shù)和 TMD的數(shù)量取值較小時會對放大系數(shù)有比較大的影響,建議在實際工程中可采用大阻尼系數(shù)和 TMD個數(shù)少一些的組合來替代小阻尼系數(shù)和多個 TMD的組合,控制的有效性基本不變。

2 調(diào)諧減震技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展前景

2.1 調(diào)諧減震技術(shù)的工程應(yīng)用

在土木工程中,TMD的工程應(yīng)用有著比較早的歷史。前蘇聯(lián)早在20世紀(jì)50年代初就在鋼電視塔及煙囪上安裝了撞擊式擺錘,有效地抑制了風(fēng)荷載產(chǎn)生的振動。目前,TMD已廣泛應(yīng)用在高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制以及橋梁結(jié)構(gòu)的振動控制中。

國外TMD的工程應(yīng)用主要在美國和日本。美國波士頓的60層約翰漢考克大樓設(shè)置了2個重300 t的 TMD作為質(zhì)量塊,起到了減緩大樓風(fēng)振擺動的作用。另外,紐約的花旗大樓上也安裝了TMD用以減輕風(fēng)振反應(yīng)。在日本,第1個 TMD安裝于千葉港觀光塔上,隨后在福岡塔上也安裝了TMD[39],近年來,日本建設(shè)中心每月鑒定的采用耗能減震體系的房屋平均為5～10個,其中就包括調(diào)諧減震技術(shù)的應(yīng)用[40]。澳大利亞的悉尼電視塔上安裝了2個 TMD來減小電視塔的第一、二振型風(fēng)振反應(yīng),特別應(yīng)該指出的是用于控制第一振型反應(yīng)的 TMD是懸吊在塔樓頂部重達(dá)180 t的水箱,這是第一個用水箱來代替質(zhì)量塊的嘗試。

在我國,結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制理論應(yīng)用于實際工程的第1例是廈門九洲大廈和上海氣象塔,設(shè)計理論來源于瞿偉廉[41]對U型水箱的系統(tǒng)研究。顧明等[42]對楊浦大橋的抖動問題進(jìn)行了研究,根據(jù)控制目標(biāo)和已定預(yù)算,從設(shè)計的7種結(jié)構(gòu)-MTMD系統(tǒng)中任意選取一組,用于對楊浦大橋的抖振控制。樓夢麟等[43]研制了一種利用電磁渦流耗能的 TMD新裝置,試驗研究結(jié)果表明該裝置有良好的阻尼特性,并且通過鋼框架的振動臺試驗,驗證了所設(shè)計的電磁耗能裝置的有效性和合理性及實際應(yīng)用的可行性。

2.2 調(diào)諧減震技術(shù)存在的問題

調(diào)諧減震技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實際工程中,其中TMD多用于風(fēng)振控制。雖然對結(jié)構(gòu)的減震控制有效性研究得到了試驗驗證,但實際工程應(yīng)用仍然不多,而且在實際設(shè)計和安裝時,有許多值得注意的問題,如 TMD的大小和數(shù)量的確定、實際安裝位置是否受限制、質(zhì)量塊的支承面問題等,這些都是需要進(jìn)一步深入研究和探討的。

目前,對MTMD的研究不足之處有:

1)頻率呈均勻分布的MTMD存在近零最優(yōu)平均阻尼比,即對于一個給定的質(zhì)量比,當(dāng) TMD總數(shù)超過某一數(shù)值時MTMD的最優(yōu)平均阻尼比趨于零。由于近零最優(yōu)平均阻尼比會使MTMD產(chǎn)生大的沖程,這時的MTMD實際上沒有任何實際意義。因此,有必要尋找不存在近零最優(yōu)平均阻尼比的MTMD模型。

2)結(jié)構(gòu)振動控制在強震作用下應(yīng)允許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的屈服來耗散結(jié)構(gòu)的地震能量,即非線性災(zāi)害響應(yīng)控制。因此,有待于進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)的非線性災(zāi)害響應(yīng)MTMD控制。

2.3 調(diào)諧減震技術(shù)的發(fā)展前景

從最初的提出到如今的廣泛應(yīng)用,TMD經(jīng)歷了無數(shù)次的試驗研究與創(chuàng)新改進(jìn),為調(diào)諧減震技術(shù)帶來了深刻的變化?，F(xiàn)代城市的高層建筑越來越多,TMD發(fā)揮作用的空間也越來越大,對 TMD應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展研究吸引著眾多學(xué)者。

由于TMD系統(tǒng)需要另配質(zhì)量塊,這大大增加了該結(jié)構(gòu)體系的造價,因此針對該缺點,研究者提出了許多改進(jìn)措施,即把結(jié)構(gòu)的一部分作為 TMD或MTMD質(zhì)量塊,這也成為近幾年 TMD技術(shù)發(fā)展的一個主要方向。

把建筑物必不可缺的屋蓋作為 TMD質(zhì)量塊就是其中一個研究比較多的領(lǐng)域。對于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),不同于高層結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制,它需要有10～20個振型才能滿足控制精度。葉繼紅等[44]提出如有若干個TMD系統(tǒng)分別控制一個振型,結(jié)構(gòu)振動控制效果會更好。從這一點上來講,MTMD更適合于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的振動控制。因此,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)-MTMD減震控制會是TMD研究的一個新領(lǐng)域。

張紅彬等[45]從每個建筑物所必不可缺少的圍護(hù)墻入手,提出了圍護(hù)墻多功能減震結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 圍護(hù)墻多功能減震結(jié)構(gòu)示意

該結(jié)構(gòu)是將主體承重結(jié)構(gòu)與功能圍護(hù)墻分離,圍護(hù)墻作為質(zhì)量塊與主結(jié)構(gòu)調(diào)諧減震,具有更顯著的質(zhì)量調(diào)頻作用。這種結(jié)構(gòu)極大克服了常規(guī) TMD及MTMD系統(tǒng)需要另附質(zhì)量塊而大大增加結(jié)構(gòu)造價的缺點,而且考慮了多種功能的減震控震作用,可用于多層、高層建筑及廠房等結(jié)構(gòu)中。張紅彬等[45]通過有限元研究表明,該種結(jié)構(gòu)形式具有較好的減震效果,因此具有極其廣闊的發(fā)展空間。

文獻(xiàn)[29,33]提出了一種新型的巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)系,其原理是把巨型框架分解成主框架與設(shè)置有隔震裝置的多個次框架,則次框架就形成了一個 TMD系統(tǒng)的質(zhì)量塊,在地震作用下這種結(jié)構(gòu)體系既具有調(diào)頻質(zhì)量減震的功能,又具有基礎(chǔ)隔震和阻尼耗能減震的功能,表現(xiàn)出明顯的減震效果。

3 結(jié)語

我國的地震研究者和工程設(shè)計人員自20世紀(jì)80年代以來一直致力于結(jié)構(gòu)減震被動控制的技術(shù)研究和工程應(yīng)用,并取得了可喜的成果。但MTMD用于結(jié)構(gòu)的減震控制及其可靠性還處于研究階段,為了使調(diào)諧減震技術(shù)的研究與應(yīng)用得到進(jìn)一步的發(fā)展,需解決以下一些問題:

1)大尺寸模型試驗和實際結(jié)構(gòu)控制效果的研究;2)控制系統(tǒng)的可靠性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性的論證;3)性能穩(wěn)定且易于安裝的消能裝置的研究開發(fā)與推廣普及;

4)可用于實際工程中的相應(yīng)構(gòu)造措施。

總體來說,調(diào)諧減震技術(shù)較之于傳統(tǒng)的抗震方式更經(jīng)濟(jì),與其他的耗能減震方式相比也更易于施工、更安全適用?？梢灶A(yù)言,調(diào)諧減震技術(shù)將成為未來建筑防震減災(zāi)的重要手段和方法,將為人類社會的安居樂業(yè)發(fā)揮巨大作用。

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Devolopment of Research and Application of Tuned Control

HE Mingsheng,SHI Guiju,ZHANG Hongbin,LIU Chenggang
(College of Water Conservancy and Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi,832003,China)

S641

A

1007-7383(2010)05-0618-07

2010-03-26

國家自然科學(xué)基金項目(50868011)

何明勝(1971-),男,副教授,從事結(jié)構(gòu)抗震及組合結(jié)構(gòu)研究;e-mail:Hms1971@sina.com。