张国军;张宇鑫;Billie F.Spencer
【摘 要】综述了土木工程结构减震控制的研究现状,讨论了调谐质量阻尼器(TMD)的工作原理,评述了TMD的国内外研究进展,最后阐述了TMD的研究和发展的趋势.%The research status of civil engineering structural vibration control has been summarized in this paper.The working principleof tuned mass damper (TMD)has been discussed,and its research progressat home and abroad has been reviewed.Finally,wesummarized the research and development tendency of TMD. 【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(046)002
【总页数】9页(P269-277)
【关键词】结构减震控制;被动控制;调谐质量阻尼器;多重调谐质量阻尼器;最优参数;稳健性
【作 者】张国军;张宇鑫;Billie F.Spencer
【作者单位】上海师范大学 建筑工程学院,上海 201418;上海师范大学 建筑工程学院,上海 201418;伊利诺伊大学 厄巴纳-香槟分校土木工程系,美国伊利诺伊州 厄巴纳-香槟 61801
【正文语种】中 文
【中图分类】TU311.3
地震,是地壳快速释放能量过程时造成的振动,期间会产生地震波.全球每年发生约550万次地震.地震常常造成严重的人员伤亡,能引起火灾、水灾、有毒气体泄漏、细菌及放射性物质扩散,还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂缝等次生灾害.传统的抗震途径是通过调整构件的尺寸和强度改变建筑结构刚度,增强其对变形抵抗能力,但这种方法有时难以兼顾经济性和美观的要求,调整结构尺寸也往往有很多限制因素.采用振动控制技术,在工程结构的一些部位装设隔震垫之类的装置或调谐质块类子结构装置,或通过施加外力来改变、调整结构的动力特性或动力作用,起到合理控制工程结构在地震时的加速度、速度、位移等动力反应作用,以达到减震的效果[1].
土木工程结构减震控制是通过在结构上安装耗能减震装置来减轻或抑制结构由于外荷载作用引起的反应.土木工程结构振动控制技术的发展经历了如下几个阶段:被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制、智能控制[2].
1.1 被动控制
被动控制一般不依赖外部能源,利用结构自身的某些构件在构造上加以处理,或者在结构的某个部位附加控制装置或构件,以改变结构体系的动力特性.被动控制由于不需要外部提供能源,且构造简单、成本低廉、易于维护而被广泛应用.被动控制按照其减震机理可分为:隔震、耗能减震和吸振减震(调谐减震)三大类.
结构隔震是指在结构物底部与基础面(或底部柱顶)之间设置某种隔震装置,减小地震能量向上部结构传递,从而减少上部结构的反应.通常所说的隔震指的是基底隔震,它包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分.隔震一般适用于短周期的中低层建筑和刚性结构.合理的结构隔震设计可使结构的水平地震加速度反应大幅降低,从而提高结构物的地震安全性,有效地减轻结构的地震破坏.
耗能减震体系是在结构的抗侧力构件中嵌入或并联能吸收、耗散地震能量的附加阻尼器,由附加的耗能元件消耗掉结构中地震运动输入的能量,而主体结构只吸收或存储一少部分能量,从而保证主体结构的安全.耗能元件大体可分为两类:位移相关型耗能元件,如金属阻尼器和摩擦阻尼器;速度相关型耗能元件,如粘滞液体阻尼器和粘弹性阻尼器.
调谐减震技术通常在主结构上设置一个子结构,通过调谐子结构参数,来实现主结构的振动反应控制.目前,调谐减震装置主要有调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器、质量泵、液压-质量控制系统、悬挂结构体系调谐液柱式阻尼器以及摆式质量阻尼器等.
TMD是一种附加在结构上的减震子结构,由弹簧、阻尼器和质量块组成,质块一般通过弹簧和阻尼器支撑或者悬挂在主结构上.当结构受到外部荷载作用产生振动时,子结构通过连接装置与结构一起振动,由此产生的能量会通过惯性力反作用于主结构,以及部分被阻尼器所消耗,实现减震的目的.
作为被动控制技术之一,TMD发展较为成熟,减震效果明显,施工操作简单,因而被广泛应用于国内外结构工程中.调谐液体阻尼器(TLD)是将一定形状的盛水容器固定在结构上的一种装置,该装置的减震原理是结构减震带动了容器中液体的晃动,容器箱壁和液体之间碰撞产生了
控制力,液体晃动时会吸收一部分的能量,这两种因素都减小了结构的减震,从而起到了减震控制的效果.
1.2 主动控制
与被动控制不同,主动控制需要外部提供能源,结构物在外部激励作用下发生减震的过程中,外部瞬时施加力或瞬时改变结构的动力特性,以迅速衰减和控制结构的减震反应.主动控制的主要特点是应用外部能源和现代控制技术对结构施加主动控制力.由于控制力大小可以随输入激励而改变,故控制的效果基本上不依赖于外部激励的特性.在提高建筑物抵抗不确定性地面运动的能力,直接减少输入的干扰力,以及在地震发生时连续、自动调整结构动力特性等方面均优于被动控制,特别适用于结构的风振控制.
主动控制装置主要包括主动质量阻尼器(AMD)、主动质量驱动器(Active Mass Driver)、主动拉索(ATS)和主动支撑(ABS)等.
1.3 半主动控制
半主动控制仅需要外部提供较低能量来提供控制力,其工作原理是通过输入或者反应信息进
行切换控制系统的工作状态,通过调整改变结构的阻尼和刚度来达到减震的目的.半主动控制同时具有主动和被动两种控制的特点,但是半主动控制所涉及到的关键技术是设计并实现可控的减震环节和控制策略,而这并不会比主动控制技术和被动控制技术简单,有时更加复杂.半主动控制最具有代表性的控制装置主要有主动变刚度系统(AVS)、主动变阻尼系统(AVD)、磁流变阻尼器、压电摩擦阻尼器以及电流变阻尼器等.
1.4 混合控制
混合控制顾名思义在一个结构上会同时使用两种或者两种以上的控制系统,使其相互之间共同的协调工作,该控制不仅能够利用被动控制系统耗散大量的振动能量,而且还可以通过主动控制系统保证良好的控制效果,混合控制系统可以有效地抑制结构的振动响应.目前,混合控制装置系统主要有:AMD和TMD组成的混合质量阻尼控制系统、主动控制和基础隔振组成的混合基础隔振系统以及主动质量阻尼系统与液体质量控制系统等.
1.5 智能控制
智能结构是利用机敏材料特性、计算机技术、微电子和现代控制理论等对结构进行智能控
制,使结构可以感知环境和自身特性,采用最优控制策略做出合理响应的结构,目前更多是使用智能控制的说法.智能结构系统可以解决当前工程上一些难以解决的实际问题,而且将推动许多学科和技术的发展,它代表着先进的新型材料与传统的土木工程结构相结合这一重大的学科研究发展方向,具有巨大的发展潜力.
TMD 的工作原理是将TMD 连接到被控制的主体结构上,通过将惯性质量和主结构控制振型谐振把主结构的能量传递给 TMD,从而抑制了主体结构的振动,因此 TMD 的有效性主要依靠准确的调频.TMD 系统是由主结构以及附加在主结构上的子结构共同组成的,其中的子结构是由固体质量、阻尼器以及弹簧减震器等组成的,它具有质量、阻尼和刚度等参数.TMD 的调频主要是通过改变质量或者刚度的大小来调整子结构的自振频率,将 TMD 的自振频率设计成非常接近主体结构的主要自振频率或者激励频率,当主结构受到激励而产生振动时,子结构就会相应地产生与结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上,作用在主体上的反向力消减了结构的减震反应,从而达到减震控制效果.由于 TMD是通过调整子结构的动力特性来减小结构的动力特性,而不是借助外部的能量,因此又被称为“被动调谐减震控制体系”.调谐减震系统简化模型如图1所示.TMD 安装在结构顶部,整个结构则成为双自由度体系,则系统在地震激励下的运动方程为
写成矩阵形式:
式中m1,c1,k1分别为主结构的质量、阻尼和刚度,m2,c2,k2分别为子结构的质量,阻尼和刚度分别为主结构和子结构相对于地面的加速度、速度和位移为地面加速度.
设主结构固有频率子结构固有频率主结构阻尼比子结构阻尼比质量比频率比带入(2)式:
设v=x2-x1,(3)式可以简化为
被动调谐减震控制体系主要是通过调整TMD系统与主体结构的质量比μ、频率比α和TMD系统的阻尼比ξ2等参数,使系统吸收更多的振动能量,从而大大减轻主体结构的振动响应.
TMD起初主要用于减小风振响应.当结构在外激励作用下产生振动时,带动 TMD系统振动,TMD 系统产生的惯性力反作用到结构上,调谐这个惯性力,使其对主结构的振动产生调谐作用,从而达到减小结构振动的目的.TMD的优点是安装简单、方便,维修更换容易.缺点是TMD对于在一般场地上(中高频)的高层建筑、高耸结构、大跨度结构等柔性(低频)结构,控制效果明显有效,而对于软弱(高频)地基上的刚性(高频)结构,控制效果较差.
3.1 TMD的早期研究
TMD最早是由Frahm[4]在1909年发明的一种吸振器,如图2所示.它由一个小的质量m以及一个刚度为k的弹簧组成的子结构连接于弹簧刚度为K的主质量M上.在简谐荷载的作用下,当所连接吸振器的固有频率与激励频率相同时,主质量M能够保持静止状态.
在此后很长的一段时间里,研究者们在对 TMD 减震的理论研究[3-38],以及实际应用方面做了大量工作.美国研究者最早进行了减震的理论研究,并在高层建筑结构中应用了 TMD 装置.许多早期的研究仅仅局限于动力吸振器在工作频率以及基本频率协调的机械工程系统中的应用.但是建筑结构在受到如风和地震等环境荷载的作用下不仅只有一个频率,而是有许多的频率分量.在多自由度和有阻尼建筑结构中,TMD的动力吸振器的性能完全不同.因此在过去 20 多年里,许多的研究与开发工作就定位于研究TMD 在这种复杂减震环境中的减震控制效果.
3.2 TMD的拓展研究
3.2.1 单个TMD 的研究
单个 TMD 的研究大多仅是集中在对结构的控制效果以及最优控制参数的理论研究方面.为
使TMD的控制效果达到最佳,即扩大其能量耗散能力,关键是把TMD的振动频率调至结构振动频率附近并选用适当的阻尼.频率对单个 TMD 的控制效果的影响非常大,当频率略微的偏离设计时,单个 TMD 的控制效果将会有很大程度的下降.文献[5]在传统TMD理论的基础上,从累积能量和瞬时能量角度研究TMD 装置的减震机理及影响因素,进一步完善TMD的理论研究.研究表明:结构附加 TMD 装置后,各累积能量响应和瞬时能量响应均有明显的减小;改变主结构动力特性,TMD 系统主结构各瞬时能量和累积能量响应有明显的改变;增加主结构阻尼比,结构位移、速度及加速度响应均有所减小,结构(累积与瞬时)阻尼耗能增加,而滞回耗能和转移能则急剧减小.文献[6]将TMD运用于润扬北汊斜拉桥地震反应控制,分析发现TMD使斜拉桥结构的阻尼耗能减少了30%,主梁跨中和端部的横向位移减少了12%,竖向位移减少了24%,表明TMD能有效控制大跨斜拉桥在地震作用下的振动.文献[7]将TMD减震技术运用于高架桥梁:在低频外部激励作用下,当TMD频率与桥墩频率比为2.5～4.5时,可使桥梁中梁与墩的相对位移响应幅值减小60%以上,墩顶加速度响应幅值减小40%以上.文献[8]提出由调谐质量块、扭转质量块及扭转杠杆等组成的双向水平及扭转TMD,利用其自身的平移和转动可以实现对结构水平及扭转振动控制,表明合理布置的多维TMD能有效降低结构在水平两向及扭转方向的振动,其减震效果明显优于传统的单向TMD.文献[9]研究了不规则建筑主动T
MD(ATMD)减震的行为,分析了不规则建筑的标准化偏心系数(NER),扭转对侧向频率比(TTFR)及地震卓越频率(DGF)对ATMD控制不规则建筑位移响应时的最优参数和有效性的影响,结果表明:1)控制平动位移时,DGF对ATMD最优参数和有效性的影响较控制扭转角位移时的大;2)对扭转柔性结构(侧扭频率比小于1.0),DGF对ATMD最优参数和有效性的影响较显著.文献[10]提出了一种新的控制策略——双重TMD(DTMD)和一种新的优化目标函数.DTMD是由2个质量块通过阻尼器和弹簧串联成的结构系统,具有和传统的TMD和MT-MD不同的能量耗散方式,能够在结构固有频率摄动较大时仍保持较好的耗能减震性能.文献[10]进行了TMD/AMD 模型的模拟振动台试验研究,从试验手段上对整个TMD/ AMD 装置和现阶段比较流行的直驱式 AMD 直线电机系统的相关特性进行了深入的研究,并引入能量法对试验结果进行分析,进一步从试验方面验证了TMD/AMD 系统的能量平衡和传递理论;对带限位 TMD 的动力可靠度进行了探讨.提出了基于投资-效益准则的 TMD/AMD 减震装置的优化设计方法.文献[11]设计制作出一个摩擦摆TMD.对装有摩擦摆TMD的4层钢框架结构进行了振动台试验,结果表明当激励频率接近结构受控自振频率时,摩擦摆TMD能够有效地减小结构的动力反应和抑制结构共振,减震率在50%以上.Kaynia等[14]和Sladek等[15]发现TMD对减小地震反应不是很有效.后来提出的多重TMD(MTMD) 可以消除单个TMD不足.Wong等[16]
用能量原理研究了TMD对非线性结构的效应,发现只要TDM能有效地吸收能量就能够减少塑性能量的耗散从而免遭结构损伤,但是结构进入小位移塑性时TDM吸收能量减少.文献[17]对于多层房屋提出了一种TDM的稳健性设计,研究表明:随着TDM系统总质量的增加,它的性能亦增加;实际上,建筑物的反应亦减小且对不确定的参数变得不敏感.地震动参数影响结构的反应及相应的TDM的最优性能和特性.文献[18]提出新的一种脉冲方法代替了古典H∞方法,这两种方法均进行了分析脉冲和近场记录下单自由度和多自由度线性结构的实验,数值评估了在脉冲地面运动下脉冲定向设计的优缺点.
