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消能减震技术应用综述
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摘要：从目前结构消能减震技术的角度出发，论述了在实际设计中这些方法的原理和构造方式。
关键词：基础隔振 结构消能减震 调谐质量阻尼器
0 引言
基础隔振与结构隔振是目前消能减震技术应用的最广泛，效果最好的方法。其中基础隔振是主动减震，而结构减震是被动隔振。结构消能减震技术属于结构减震控制中的被动控制。
1 基础隔振技术
1.1 液压质量(HMS)控制系统。系统使用适用范围是底层柔性建筑，底层柔性建筑虽然能满足底层大空间的要求，但由于在地展中，柔性底层往往变形过大而导致结构破坏，其抗震性能较差，因此，提出采用结构控制的方法来改善此类建筑的抗震性能。HMS系统主要由液压缸、活塞和管路等组成，其安装在单层框架上，见图1。由图1可知，当框架受地面运动而产生振动时，由活塞推动液体，使管路中的液体和质量块随之振动，由于框架的一部分振动能里传递给了液体和质块，从而减小了框架结构的振动。HMS系统中液体的压缩性必须考虑，并建立了考虑液体压缩性的HMS系统的“弹性”计算分析模型，由“弹性”模型可得到结构和HMS系统组成的控制抗震建筑新体系。
1.2 叠层橡胶支座基础隔震。叠层橡胶支座基础隔震建筑地震反应分析的常用力学模型有层间剪切模型、层间剪弯模型、层间扭转模型及空间杆系模型等，其中应用最多的是层间剪切模型。当利用层间剪切模型分析基础隔震建筑的动力响应时，首先需要将柔性隔震层的复杂滞回特性简化为可用于数值分析的恢复力模型。
2 结构的消能减震技术[1]
2.1 摩擦阻尼器。摩擦耗能器是一种耗能性能良好、构造简单、造价低、制作方便的减振装置。普通摩擦耗能器其构造如图2所示，通过开有狭长槽孔的中间钢板相对于上下两块铜垫板的摩擦运动而耗能，调整螺栓的紧固力可改变滑动摩擦力的大小。试验结果表明:滑动摩擦力与螺栓的紧固力成正比；其最大静摩擦力和滑动摩擦力相差较小，但滑动摩擦力的衰减较大，达到30%，其原因是由螺栓松动引起的；滞回曲线表现出良好的刚塑性性能。
由摩擦滑动节点和4根链杆组成，摩擦滑动节点由钢板通过高强螺栓连接而成，耗能器的起滑力由节点板间的摩擦力控制，可在钢板之间夹设摩擦材料或是对接触面做处理来调节摩擦系数，通过松紧节点栓来调节钢板间的摩擦力，四周的链杆起连接和协调变形的作用。当支撑外力不能克服最大静摩擦力时，耗能器不产生滑动；当外力能够克服最大静摩擦力时，耗能器产生滑动并通过摩擦做功耗能。试验结果表明:Pall摩擦耗能器的工作性能稳定，耗能能力强。
2.2 软钢阻尼器。软钢阻尼器是结构被动控制中耗能减震装置的一种，在地震或风振时，通过软钢发生塑性屈服滞回变形而耗散输入结构中的能量，从而达到减震的目的。在其内核钢支撑和外包层(钢管、钢筋混凝土或钢管混凝土)之间形成无粘结滑移界面，防止内核钢支撑在压力作用下屈曲，从而获得丰满的滞回曲线。该阻尼器具有方便耐用、滞回耗能性能良好的特点，逐渐得到工程界的广泛认可。
2.3 铅阻尼器。铅橡胶复合阻尼器的构造主要是由薄钢板、橡胶、铅、挤压头、连接板及保护层所组成。薄钢板、橡胶、连接板中央预先留有圆孔，并通过高温高压硫化为一体，铅在硫化后通过挤压灌入预留孔中。薄钢板可经特殊处理以提高阻尼力和屈服后刚度。
2.4 粘弹性阻尼器[2]。粘弹性阻尼器的消能减震结构在工程抗震中发挥着重要的作用。由于附加阻尼的加入，结构体系总阻尼不再满足正则模态的正交性，使得所涉及到的运动方程是相互耦合的，因此无法通过求解一般动力方程的方法得到解析解。Foss最先提出了复模态分析方法的理论，通过将原来耦合的方程作一次Foss变换，得到解耦的运动方程，从而可求得结构在地震作用下的反应。运用复模态理论将基础隔振结构运动方程解耦，分析了在地震作用下的反应。
2.5 调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper，TLD)。调谐液体阻尼器(TLD)[3]是一种主要用于高层建筑和高耸结构振动控制的水箱，它利用结构上固定容器中液体的惯性和黏性耗能减小结构的振动，是一种被动控制装置。笔者利用TLD对高层建筑地震反应进行了振动控制研究。要使得TLD发挥比较好的减振效果，就必须使水箱中的水尽可能地晃动起来，要求水箱中水的晃荡频率与结构自振频率相等，效果最佳。
2.6 调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper缩写TMD)。TMD是一种简单、便于安装、易于维修和更换的控制结构装置。理论分析研究表明对于一般多层房屋建筑，在地震激励下，结构相对于地面的最大位移发生在顶层。同时，研究结果还表明:TMD的阻尼比在(0.05~0.1)范围内，减振效果好，但超过0.2时，减振效果不明显；TMD质量比小于0.01时，减振效果不明显，随着TMD质量比的增大，控制效果越来越好，但u大于某一值时(超过3%)，此时减振效果不明显；TMD的频率与原结构的频率比在0.95左右时控制效果较佳。
3 结语
如何合理选用阻尼器是根据工程的实际情况而定的[4]。消能减震技术具有概念简单，制作方便，减震机理明确，应用范围广等优点。但是要使消能减震技术得到更广泛的应用，尚有一些问题需要研究:①消能减震体系及效果的进一步研究:消能减震部件设置的位置对结构的减震效果较敏感，因此，如何提高减震效果，提高消能体系的经济技术指标，应该是今后研究的方向。②消能减震部件的进一步开发:目前，消能减震部件种类已经较多，但应注重其实用性、经济性以及支承连接形式的研究。③消能减震体系设计计算方法和软件的研究:消能减震体系只有为设计者提供实用、简便且符合设计习惯的设计方法和软件，才能进一步推广应用。
参考文献:
[1]GB50011-2001，建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社.2001.
[2]周云，宗兰，张文芳，等.土木工程抗震设计[M].北京:科学出版社.2005.
[3]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社，1997.
[4]彭刚.不同消能器安装方式下的结构振动控制效果分析[J].力学季刊.2004. 来源: 《建筑中文网》.
关键词：基础隔振 结构消能减震 调谐质量阻尼器
0 引言
基础隔振与结构隔振是目前消能减震技术应用的最广泛，效果最好的方法。其中基础隔振是主动减震，而结构减震是被动隔振。结构消能减震技术属于结构减震控制中的被动控制。
1 基础隔振技术
1.1 液压质量(HMS)控制系统。系统使用适用范围是底层柔性建筑，底层柔性建筑虽然能满足底层大空间的要求，但由于在地展中，柔性底层往往变形过大而导致结构破坏，其抗震性能较差，因此，提出采用结构控制的方法来改善此类建筑的抗震性能。HMS系统主要由液压缸、活塞和管路等组成，其安装在单层框架上，见图1。由图1可知，当框架受地面运动而产生振动时，由活塞推动液体，使管路中的液体和质量块随之振动，由于框架的一部分振动能里传递给了液体和质块，从而减小了框架结构的振动。HMS系统中液体的压缩性必须考虑，并建立了考虑液体压缩性的HMS系统的“弹性”计算分析模型，由“弹性”模型可得到结构和HMS系统组成的控制抗震建筑新体系。
1.2 叠层橡胶支座基础隔震。叠层橡胶支座基础隔震建筑地震反应分析的常用力学模型有层间剪切模型、层间剪弯模型、层间扭转模型及空间杆系模型等，其中应用最多的是层间剪切模型。当利用层间剪切模型分析基础隔震建筑的动力响应时，首先需要将柔性隔震层的复杂滞回特性简化为可用于数值分析的恢复力模型。
2 结构的消能减震技术[1]
2.1 摩擦阻尼器。摩擦耗能器是一种耗能性能良好、构造简单、造价低、制作方便的减振装置。普通摩擦耗能器其构造如图2所示，通过开有狭长槽孔的中间钢板相对于上下两块铜垫板的摩擦运动而耗能，调整螺栓的紧固力可改变滑动摩擦力的大小。试验结果表明:滑动摩擦力与螺栓的紧固力成正比；其最大静摩擦力和滑动摩擦力相差较小，但滑动摩擦力的衰减较大，达到30%，其原因是由螺栓松动引起的；滞回曲线表现出良好的刚塑性性能。
由摩擦滑动节点和4根链杆组成，摩擦滑动节点由钢板通过高强螺栓连接而成，耗能器的起滑力由节点板间的摩擦力控制，可在钢板之间夹设摩擦材料或是对接触面做处理来调节摩擦系数，通过松紧节点栓来调节钢板间的摩擦力，四周的链杆起连接和协调变形的作用。当支撑外力不能克服最大静摩擦力时，耗能器不产生滑动；当外力能够克服最大静摩擦力时，耗能器产生滑动并通过摩擦做功耗能。试验结果表明:Pall摩擦耗能器的工作性能稳定，耗能能力强。
2.2 软钢阻尼器。软钢阻尼器是结构被动控制中耗能减震装置的一种，在地震或风振时，通过软钢发生塑性屈服滞回变形而耗散输入结构中的能量，从而达到减震的目的。在其内核钢支撑和外包层(钢管、钢筋混凝土或钢管混凝土)之间形成无粘结滑移界面，防止内核钢支撑在压力作用下屈曲，从而获得丰满的滞回曲线。该阻尼器具有方便耐用、滞回耗能性能良好的特点，逐渐得到工程界的广泛认可。
2.3 铅阻尼器。铅橡胶复合阻尼器的构造主要是由薄钢板、橡胶、铅、挤压头、连接板及保护层所组成。薄钢板、橡胶、连接板中央预先留有圆孔，并通过高温高压硫化为一体，铅在硫化后通过挤压灌入预留孔中。薄钢板可经特殊处理以提高阻尼力和屈服后刚度。
2.4 粘弹性阻尼器[2]。粘弹性阻尼器的消能减震结构在工程抗震中发挥着重要的作用。由于附加阻尼的加入，结构体系总阻尼不再满足正则模态的正交性，使得所涉及到的运动方程是相互耦合的，因此无法通过求解一般动力方程的方法得到解析解。Foss最先提出了复模态分析方法的理论，通过将原来耦合的方程作一次Foss变换，得到解耦的运动方程，从而可求得结构在地震作用下的反应。运用复模态理论将基础隔振结构运动方程解耦，分析了在地震作用下的反应。
2.5 调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper，TLD)。调谐液体阻尼器(TLD)[3]是一种主要用于高层建筑和高耸结构振动控制的水箱，它利用结构上固定容器中液体的惯性和黏性耗能减小结构的振动，是一种被动控制装置。笔者利用TLD对高层建筑地震反应进行了振动控制研究。要使得TLD发挥比较好的减振效果，就必须使水箱中的水尽可能地晃动起来，要求水箱中水的晃荡频率与结构自振频率相等，效果最佳。
2.6 调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper缩写TMD)。TMD是一种简单、便于安装、易于维修和更换的控制结构装置。理论分析研究表明对于一般多层房屋建筑，在地震激励下，结构相对于地面的最大位移发生在顶层。同时，研究结果还表明:TMD的阻尼比在(0.05~0.1)范围内，减振效果好，但超过0.2时，减振效果不明显；TMD质量比小于0.01时，减振效果不明显，随着TMD质量比的增大，控制效果越来越好，但u大于某一值时(超过3%)，此时减振效果不明显；TMD的频率与原结构的频率比在0.95左右时控制效果较佳。
3 结语
如何合理选用阻尼器是根据工程的实际情况而定的[4]。消能减震技术具有概念简单，制作方便，减震机理明确，应用范围广等优点。但是要使消能减震技术得到更广泛的应用，尚有一些问题需要研究:①消能减震体系及效果的进一步研究:消能减震部件设置的位置对结构的减震效果较敏感，因此，如何提高减震效果，提高消能体系的经济技术指标，应该是今后研究的方向。②消能减震部件的进一步开发:目前，消能减震部件种类已经较多，但应注重其实用性、经济性以及支承连接形式的研究。③消能减震体系设计计算方法和软件的研究:消能减震体系只有为设计者提供实用、简便且符合设计习惯的设计方法和软件，才能进一步推广应用。
参考文献:
[1]GB50011-2001，建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社.2001.
[2]周云，宗兰，张文芳，等.土木工程抗震设计[M].北京:科学出版社.2005.
[3]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社，1997.
[4]彭刚.不同消能器安装方式下的结构振动控制效果分析[J].力学季刊.2004. 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200910/13256.htm
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