结构振动控制的概念与分类

日期：耗能方案耗能减震技术的研究、应用与发展一、结构振动控制的概念及分类 传统的抗震设计是通过增强结构本身的抗震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，中震可修，大震不 倒。而这种抗震方式缺乏自我调节能力，在不确定的地震作用下，很可能无法满足 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，这样既给建筑布置带来一定的困难，在经济上又要增加相当多的投资。近年 来，在土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，由控制机构和结构共同承受地震作用，以调谐和减轻结构的地震反应。 结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。 被动控制无外加能源的控制，其控制力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、耗能减震技术和吸能减震技术。 主动控制有外加能源的控制，其控制力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、运算器和施力作动器三部分组成。主 动控制是将现代控制理论和自动控制技术应用于结构抗震的高新技术。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 动质量阻尼系统（AMD ）等。主动控制研究较多的国家是美国、日本和中国，我国 自80年代末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实验大楼和Kankyu Chayamechi大楼。 半主动控制有少量外加能源的控制，其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整自身的参数，从而 起到调节控制力的作用。现有的半主动控制技术包括：半主动隔震装置、半主动T MD、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。 混合控制在结构上同时应用被动控制和主动控制，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置的长处，克服它们 的弱点，以获得更好的控制效果。目前提出的混合控制方法主要有：同时采用AMD 和TMD的混合控制系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统以及主动控 制和耗能减震相结合的混合控制系统。世界上第一个安装混合控制系统的建筑是位 于日本东京的清水公司技术研究所。 在这四种控制技术中，主动控制的效果最好，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，而且存在时滞问题，因此其 应用程度少于其它三种控制技术；被动控制造价低廉，减震效果良好，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 程度的推广应用；半主动控制介于主动控制和被动控制之间，其控制精确度较高， 造价较主动控制低廉，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种控制方法的优点，因此其具有较好的控制效果，发展前 景较为广阔。二、被动控制的研究与应用 被动控制包括基础隔震技术、吸能减震技术和耗能减震技术。 基础隔震技术是指在建筑物或构筑物基底设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隔震技术主要有：夹 层橡胶垫隔震、摩擦滑移隔震、滚珠及滚轴隔震、支撑式摆动隔震和混合隔震等。 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 速的发展。理论上较为成熟，并且也有相当多的实际应用。截止1999年12月份统 计表明：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。最近有些国家已制订了相应的隔震规范，我国即将出台的新规 范就包含了基础隔震部分。吸能减震技术是在主体结构中附加子结构，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动的目的。目前主要 的吸能减震装置有：(1)调谐质量阻尼器(TMD);(2)调谐液体阻尼器(TL D);(3)质量泵；(4)液压一质量控制系统(HMS);(5)空气阻尼器。其 中，应用最多的是TMD和TLD，如1976年，美国波士顿60层的John Hancoc k大楼在58层上安装了两个重300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，防止了玻璃幕墙的脱落。澳大利亚的悉尼电视塔， 加拿大多伦多电视塔，日本的Chiba Port塔以及Funade桥的桥塔均安装了 TM D，其减震效果均令人十分满意。日本的Yokohama海岸塔是一个高101米的钢 塔架结构，为减小结构的风振反应，在结构上共设置了 39个圆柱形的TLD，实例 分析表明，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,满足舒适度要求。除此之外，日本149.4米高的Yokoha ma王子饭店也在其顶部安装了 TLD以控制其风振反应。三、耗能减震技术的研究、应用与发展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。在风载和小震作用下，耗能构件 和阻尼器处于弹性状态，结构体系具有足够的抗侧移刚度以满足正常的使用要求， 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 强震中免遭破坏。目前研究开发的阻尼器种类较多，归纳起来主要有：（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） 复合型阻尼器。1. 金属阻尼器 由于金属材料在弹塑性范围以后具有较好的滞回性能，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、铅阻尼器和形状记忆金属阻尼器。 软钢阻尼器是充分利用软钢具有较好的屈服后性能，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；1991年Wittaker 等人和1992年Tsai等人分别研究了 X型软钢阻尼器（XADAS）和三角形软钢阻 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。由于软钢阻尼器具有滞回特性稳定，低疲劳性能好，对环境和温度的适应性强和长 期性能稳定等优点，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的一幢29层的钢结构、美国San Francisco的一 幢非延性钢筋混凝土结构和墨西哥的三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。软钢阻尼器的缺点是： 可恢复性差，其滞回耗能性能受其形状的影响较为显著，如形状制作不合适，会引 起滞回环的畸变。铅阻尼器是充分利用铅具有密度大、熔点低、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收大量的能量，并 且具有较强的变形跟踪能力，而且通过动态回复和再结晶过程，其组织和性能还可 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）提供的阻尼力可靠；（3）对位移变化敏感；（4）构造简单，工作中不需维 护。但它具有恢复性差和铅对环境造成污染等缺点。形状记忆合金（SMA）是一种兼有感知和驱动功能的新型材料，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永久变形，因而具有 很好的耗能能力。目前，主要的几种记忆合金为Ni-Ti合金、Cu基合金和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。Aiik en等在美国加利福尼亚大学地震工程研究中心对装有Ni-Ti拉力装置的3层钢结构 模型进行了试验研究；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究；Higashino等对利用镍钛合金丝制成的阻尼器的性 能作了研究；Adachi等也对安装有形状记忆合金阻尼器的桥梁的减震进行了系统的 研究。2. 摩擦阻尼器摩擦阻尼器的研究始于70年代末。目前，研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、滑移型长孔螺栓节点阻尼 器。这些摩擦阻尼器都具有较好的库仑特性，摩擦耗能明显，可提供较大的附加阻 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 而具有很好的应用前景。摩擦阻尼器的缺点是两种材料在恒定的正压力作用下，保 持长期的静接触，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摩擦装置产生退化，地震后会产生永久性偏位，需要进 行维修和保护。目前国内外对摩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了专用的摩擦减震支撑框架分析 程序（FDBFAP），用来分析和设计摩擦减震支撑框架。加拿大的Montreal市的Concordia大学图书馆共使用了 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Sonic办公大楼共 安装了 240个摩擦阻尼器；加拿大Sorel的一幢教学楼建于1967年，在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 安装了摩擦阻尼器对其进行加固，效果良好。3. 粘滞阻尼器粘滞阻尼器一般是由缸体、活塞和流体组成。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，流体从活塞上的小孔 内通过，产生流体阻尼力，从而耗散运动能量，减小结构的反应。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 粘性流体。粘滞阻尼器能提供较大的阻尼，有效地减小结构的振动，同时阻尼器产 生的阻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，不会在柱中产生与柱弯距同相的轴力。此外，粘滞阻尼器受激励频 率和温度的影响较小，但粘滞阻尼器的加工制作较难，粘滞流体易发生渗漏。粘滞阻尼器早就广泛地应用于军事、航天、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。如美国洛山矶的两幢基础隔震的 民用住宅，其基础隔震系统就是由螺旋弹簧和粘滞阻尼器构成的；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吨，长2米，活塞杆的行程达500mm，能抵抗500吨的力，耗散2000千焦的 能量；1994年美国新San Bermardino医疗中心也使用了粘滞阻尼器，共安装了 233个阻尼器。4. 粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器是由粘弹性材料和约束钢板组成。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，钢板之间夹有粘弹性材料。粘弹性阻尼器一 般设在能产生相对变形的位置，如斜撑、人字形支撑、梁柱节点、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，耗散 输入的振动能量，减小结构的振动反应。大量的试验研究表明：影响粘弹性阻尼器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(1) 粘弹性阻尼器具有很好的耗能能力，其耗能能力随着温度的增加而降低：(2) 粘弹性阻尼器的耗能能力随着频率的增加而增加，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；(3) 当应变幅值小于50%时，应变的影响是次要的，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。为精确地描述粘弹性阻尼器的应力应变关系，学者们提出了各式各样的计算模型， 主要有：Kelvin模型；Maxwell模型；标准线性固体模型；复刚度模 型；(5) 四参数模型；(6) 有限元模型。5. 粘弹性阻尼结构的研究现状 装有粘弹性阻尼器的结构称为粘弹性阻尼结构。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)，从这些试验和研究可以得出以下结论： 表1.1 粘弹性阻尼结构的试验研究试验者 年代 试验模型框架Lee等1990五层足尺钢框架和它的一个2/5比例的模型框架Lin和Liang等1991 1/4三层钢结构模型框架Bracei和Shen等1992 1/3三层钢筋混凝土模型框架Chang和Lai等1993 2/5五层钢结构模型框架Chang和Shen等1995 2/5三层钢结构模型框架Lai等1995 1/3三层钢结构模型框架和五层足尺钢框架Chang等1996 2/5三层钢结构模型框架欧进萍等 1999 1/8十六层钢结构模型框架(1) 动力特性：粘弹性阻尼结构的刚度和阻尼增加，自振频率增加，周期减小。(2) 动力反应：粘弹性阻尼器提供给结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显著地减小了；输入结构 的地震能量大部分由粘弹性阻尼器的滞回耗能所吸收，而易导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性 铰和裂缝，试验表明：所产生的破坏情况比原结构要少一半多。不管是钢结构还是 钢筋混凝土结构，安上粘弹性阻尼器后它们都表现出以上特性。结构加上粘弹性阻尼器后，刚度和阻尼都会显著增加，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计算主要是求解加入 粘弹性阻尼器后结构的刚度和阻尼，目前主要有以下几种方法： (1)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。(1)模态应变能法 模态应变能法的基本思想是通过粘弹性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。在第j振型下由于粘弹性阻尼器所产生的附加刚度和结构阻尼比为：(1)(2)式中，为粘弹性阻尼器同水平方向的倾角；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，常常取用第一振型来估计 粘弹性阻尼结构的阻尼比。(2) 增量刚度和增量阻尼法由于粘弹性阻尼器加到结构中所产生的增量刚度矩阵和增量阻尼矩阵(3)式中 和 是阻尼器的储能刚度和阻尼值；是一无量纲的支撑位置矩阵。粘弹性阻尼器在第j振型下对结构的阻尼贡献为(4)则在第j振型下粘弹性阻尼结构的阻尼比为：(5)式中 为初始时结构的模态阻尼比，；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。(3) 改进的模态应变能法改进的模态应变能法是由Chris.P等于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j振型下的阻尼比可由下式确定(6)式中；为在第j振型下第i层的振型参与系数。对于粘弹性弯曲型建筑在第j振型下阻尼比(7)式中 ； 。模态应变能法计算简单，当阻尼器的应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，但计算较繁；改进的模态应变能法 比较完整，但适应的激励频率范围比较狭窄。6. 粘弹性阻尼结构的应用及发展前景粘弹性阻尼器在机械工程和航空工程中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，近年来已开始在结构的抗震减震工程中应 用，表2列出了一些工程应用概况。西雅图哥伦比亚中心大厦，77层，高291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的斜撑上安放了260个 大型粘弹性阻尼器，每只重272千克。该工程首先用计算机分析各杆件内力，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。纽约世界贸易中心大厦为一双塔钢结构，阻尼器安在第8层到第108层的桁架 下弦杆上，每层约100个，共安装了约20000个阻尼器，每只重约13.6千克。我国对粘弹性阻尼器的研究较少，尚无实际工程应用,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。表2 粘弹性阻尼器在抗风抗震工程的应用概况建筑名称 地点高度用途 安放位置世界贸易中心大厦纽约 110层 减小风振桁架下弦杆哥伦比亚中心大厦西雅图 77层 减小风振主斜撑杆节点上电视发射塔美国 100米 减小风振斜拉索上原子能反应性建筑法国 减小风振或地震旱桥斜拉索桥上海减小风振 斜拉索上湖南长沙大桥长沙减小风振 斜拉索上重庆长江大桥重庆减小风振 斜拉索上匹兹堡钢铁大厦 美国 64层 减小风振一框架结构日本 11层减小地震一框架结构美国减小地震 中跨支撑上一钢框架 美国 13层 减小风振或地震陈台火车站台湾减小风振 屋顶上拟建的首都规划大厦北京 50层 减小风振柱间人字型支撑上拟建的宿迁市交通大厦江苏 13层 减小地震柱间斜撑上 粘弹性阻尼结构的风洞试验、地震模拟振动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%，可确保主体结构在强 风和强震中的安全性，并使结构在强风作用下,结构的舒适度控制在规定的范围内。 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， 安上粘弹性阻尼器后，不再有不舒适感，效果良好。若采用加大刚度的方法来获得 同样的效果，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的，而采用粘弹性阻尼器所用的试验及安装费用仅70万美 元。由此可见,采用粘弹性阻尼器减小建筑的风振或地震效应在经济上是相当可观 的。从大量的试验研究和工程应用可得出以下结论：(1) 粘弹性阻尼器能有效地减小建筑物的风振及地震反应；(2) 使用粘弹性阻尼器减小风振及地震反应在经济上节约了一定的资金，降低了建 筑造价；(3) 粘弹性阻尼器性能可靠，无严重老化现象；(4) 粘弹性阻尼器构造简单、制作方便、造价低廉；(5) 粘弹性阻尼器具有较宽的适用性，它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结构和桥梁结构中，既 可用于新建工程又可用于抗震加固及震后修复工程中；(6) 粘弹性阻尼结构具有较好的综合效益和社会意义，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。 由于粘弹性阻尼器的诸多优点，所以它具有广阔的应用和发展前景。7. 复合型阻尼器 复合型阻尼器是由两种或两种以上的耗能元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、铅橡胶阻尼器、流体粘弹性阻尼 器、软钢摩擦耗能器等。四、耗能减震设计标准的发展 近年来，随着各国在耗能减震体系方面研究的深入，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。美国耗能研究组织(EDWG)早在1992年就制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，提出在设计地震荷载作用 下，耗能器允许进入弹塑性状态，而主体结构仍保持为弹性的设计原理。1993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 中明确指出耗能减震体系设计不能采用等效侧力法，而应使用动力时程分析法等。在1995年，美国抗震安全委员会（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耗能减震结构体系的设计和施工规程，这些 条款中包含有两部分的内容，一方面规定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和施工方法。日本、 新西兰等国家也制订和颁布了相应的规范和规程。我国正在修订的建筑结构抗震设计规范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。五、耗能减震技术的发展展望 耗能减震技术为建筑的抗震设计和抗震加固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、减震机理明确、减震效果显 著，安全可靠等特点。然而同时应注意到，虽然耗能减震技术的研究和应用已取得 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：（1）综合考虑各种因素的影响（温度、湿度、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；（2）开发高效而又简便的新型耗能减震装置，为大范围推广该项技术奠定基础；（3）进行各种耗能装置的比较、优化分析，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；（4）加强对耗能减震器的设置问题及减震效果的定量分析；（5）耗能减震器的安装、维修和使用情况的研究；（6）加快耗能减震装置的生产基地和试点工程的建设，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；（7）加强对耗能减震技术在建筑物加固及已有建筑物改造的研究和应用。 由于耗能减震体系比传统抗震体系的抗震效果好，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，耗能减震技术将成为 21 世纪建筑 减震防灾的重要手段和方法，为减轻地震对人类造成的危害作出巨大贡献。