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结构振动控制

[日期:2014-09-05]    [字体: ]

结构振动控制是利用机械、液压或电磁等装置抑制结构体系有害振动的理论和方法,可分为隔震(振)、消能减振和主动控制(含半主动控制)三大类。

与传统抗震设计不同,结构振动控制技术可大幅度改变结构体系的动力特性(周期和阻尼),通过隔离、转移和耗散地震能量减小结构体系的地震反应、保护主体结构,也更有利于满足不确定的地震作用下结构的安全性和使用性要求。

隔震技术通过设置在被分隔的结构部分之间的隔震装置改变结构体系的自振特性、减少和耗散输入结构的地震能量。耗能减振是在结构体系中设置阻尼器或吸振器,吸收并耗散结构振动能量。以上两类控制无需监测体系运动状态、且无需外界能源的支持,均属被动控制(亦称无源控制)范畴。主动控制应监测体系运动状态、通过伺服反馈系统对结构施加控制力,需借助外界能源的支持。半主动控制只需很少的能量调节控制器的参数、通过改变结构振动周期或增加阻尼减小地震反应.主动和半主动控制一般均属反馈控制系统.智能控制是人工智能与控制理论的结合属主动控制范畴.混合控制是不同控制技术的组合。

振动控制技术应用示意图

 

1)主动控制  主动控制借助外界能源的支持,通过监测控制装置抑制结构体系有害振动的理论和方法,又称有源控制。

实施结构主动控制需利用传感器实时监测受控结构的振动反应(或地震动等环境干扰),控制器根据监测信号和预定的控制算法计算控制力,作动器利用外界能源将该控制力施加于受控结构,达到减小结构体系振动的预期目标(见图1)。基于结构振动反应监测的主动控制称为反馈控制或闭环控制;基于外界环境干扰监测的主动控制称为前馈控制或开环控制(2);结合上述两者的主动控制称为开-闭环控制。结构地震反应主动控制多为反馈控制。

 


半主动变刚度装置     
 
4  半主动变阻尼装置

 

 

                          

2)半主动控制    半主动控制是借助少许能量调节控制装置、通过改变振动体系刚度或阻尼特性实施反馈控制的技术。半主动控制亦称参数控制,其反馈控制原理与主动控制相同;然而,它并不直接向受控结构输入强大的机械能,控制装置一般为参数可调的被动装置。半主动控制有变刚度控制、变阻尼控制和变摩擦控制等多种。一些文献中常将半主动控制称为主动变刚度(或变阻尼)控制。

       


5  基底隔震建筑
 

6  隔震桥梁

 

 

3所示变刚度装置是设置在受控结构层间的一个变孔流体阻尼器。液压缸旁通回路上设有电磁阀开关。液压缸缸体由水平刚度为K的斜撑支撑于楼层下部;液压缸的活塞杆则与楼层上部固定连接。在水平地震动作用下,受控结构层间发生相对运动。此时,若调节电磁阀开关处于开启状态,液压缸内的油将由活塞带动经旁通回路自由流动,结构层间刚度不变。在忽略液流阻力的情况下,液压缸和支撑对结构振动没有影响;若考虑液流阻力,液压缸可视为阻尼器。相反,若调节电磁阀开关处于闭锁状态,由于油液不可压缩,活塞在液压缸内不能移动,此时结构层间必然增加水平刚度K。这样,只须按某种控制策略调节电磁阀的启闭状态,就可令结构体系在线改变刚度,达到控制地震反应的目标。电磁阀启闭所需的能量很小、可由电池供给。

4所示变阻尼装置是设置在结构层间的可调磁流变液阻尼器。当结构层间发生相对运动时,缸体中的磁流变液将经旁通回路流动。改变旁通回路励磁线圈的磁场强度,磁流变液的性态将发生变化,产生不同的阻尼效应。故可根据控制体系的实测状态、按照某种控制算法调节磁场强度,增加阻尼耗能,达到减振目的。

 

3被动控制  被动控制是在结构体系中设置控制装置,通过改变结构体系动力特性减小结构振动反应的技术。与主动控制相比,被动控制无需外部能源支持,控制体系不含信号采集与反馈控制系统。

土木工程地震反应被动控制技术可分为隔震和消能减振两大类。基于控制机理的细化分类见如下。

 

① 隔震  隔震依机理的不同可作如下分类:a)柔性隔震。利用叠层橡胶支座、软钢支座等的柔性延长体系的水平自振周期,避开地震动的高频卓越频段,减少体系地震反应;这类支座具有水平弹性恢复力。b)摩擦隔震。利用金属摩擦板、聚四氟乙烯(特氟龙)滑移层和滚球、滚轴等装置的水平运动,借助适当小的摩擦系数,限制、减小上部结构承受的地震剪力。单纯的滑动隔震支座或滚动隔震支座不具恢复力。c)摆动隔震。利用摩擦摆和短柱摆等的曲面运动,延长体系自振周期;这类支座的恢复力来自结构重力。悬吊隔震与摆动隔震具有相同的机理。

实际使用的隔震装置,可能是具有不同机理的隔震装置的组合,隔震支座多与阻尼器、抗风装置和限位装置结合使用。目前工程应用的隔震装置绝大多数是叠层橡胶支座隔震装置;少数是橡胶支座与摩擦支座的结合。桩基隔震在新西兰有工程应用,俄罗斯砌体结构的短柱摆隔震颇具特色。


5  基底隔震建筑 

6  隔震桥梁

 

 

 7  铅芯叠层橡胶支座   

8铅芯橡胶支座的力-变形曲线

 

② 消能减振  消能减振依机理不同可作如下分类:a)吸振器  此类装置利用阻尼调谐振子的大幅振动吸收能量,从而减小主体结构的振动。吸振器主要有调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器两类。b)阻尼器  此类装置利用结构体系振动产生的相对位移、速度等吸收和耗散能量。其中粘弹性阻尼器和粘滞流体阻尼器被称为速度相关型阻尼器,软钢滞变阻尼器、铅阻尼器和摩擦阻尼器被称为位移相关型阻尼器。另外还有形状记忆合金阻尼器。有些阻尼装置(如耗能限位器)包括多种耗能机制。

 9 调谐液体阻尼体系 

 

10  粘弹性阻尼器及应用

 

 另外一些消能减振装置,如质量泵和调谐液柱阻尼器等具有吸振器和阻尼器的双重功能。部分隔震支座也可作为消能减振装置使用。

被动控制与传统抗震技术相比,可因改变结构体系动力特性、增加耗能而减小地震反应,具有提高结构抗震能力的更大潜力和灵活性;与主动控制结构相比,又有结构简单、使用维护方便、无须外界能源支持和不存在动力失稳问题等优点;故具有广泛的应用前景。包含多维(含水平方向和竖向)隔震在内的新隔震技术的开发、新的耗能减振装置的开发和产业化、被动控制体系设计方法的完善和规范化,将推动被动控制获得更加广泛的应用。

       

 

 

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