消能减震技术研究应用进展侧述

围绕第16届世界地震工程大会(16WCEE)所发表的关于消能减震技术研究和应用的重要成果,本文对调谐质量阻尼器TMD、屈曲约束支撑BRB、黏滞阻尼器以及其它相关类型消能减震技术的最新进展进行了梳理。从调谐质量阻尼器TMD的有效性评估及其设计应用所面临的问题与改进方法,屈曲约束支撑的连接构件性能、优化及其研发和应用,黏滞阻尼器应用中的构件性能提升方法、空间优化布置方法以及性能评估方法,以及磁流变阻尼器等其它消能减震技术的发展等4个方面分别作了概括性评述和展望,提出了有待进一步研究的若干问题。     

新型半主动调谐质量阻尼器减震性能的数值模拟

为了改良被动式调谐质量阻尼器(TMD)对建筑结构的减震效果,本文提出了一种新型的可实时调节频率和电涡流阻尼的半主动调谐质量阻尼器(SATMD)。由Hilbert-Huang变换(HHT)识别出结构的瞬时频率,通过基于HHT的控制算法实时调节SATMD的质量进行频率的调谐;通过基于线性二次型高斯(LQG)的控制算法实时调整磁导间距来调节电涡流阻尼系数。为了验证SATMD对建筑结构的减震效果,以一单自由度结构模型为例进行地震响应模拟,同时采用一经优化设计的被动TMD作为对比,并考虑由于主结构的累积损伤等引起自身频率下降而造成被动TMD的去谐效应。以主结构的加速度和位移时程峰值、整体均方根值及TMD的耗能性能作为评价指标,对比了SATMD在主结构发生损伤前后对被动TMD的改良效果。数值模拟结果表明,在主结构发生损伤前后,SATMD均比经优化设计的被动TMD有更好的减震效果及耗能能力。     

TMD基础隔震混合减震体系地震响应研究

针对基础隔震体系遭受强地震时隔震层位移较大问题,提出了将调谐质量阻尼器(TMD)与基础隔震技术联合应用,形成一种新型的混合减震体系,以此控制隔震层的位移,同时减小上部结构响应。以一栋七层基础隔震体系为仿真算例,分别分析地震激励下基础隔震结构、调谐质量阻尼器(TMD)设置于基础隔震结构底层和顶层的混合减震体系地震响应。仿真结果表明:附加调谐质量阻尼器(TMD)不但能够有效减小隔震层的地震响应,同时对上部结构的响应也有不同程度的减小;对于附加调谐质量阻尼器位于底层而言,质量调谐阻尼器(TMD)位于顶层能够更有效的减小基础隔震体系的地震响应。     

从16WCEE会议看防屈曲支撑的未来发展趋势

经历了几十年的发展,越来越多的新型防屈曲支撑相继涌现,正不断向着新型材料,新的结构形式,方便生产和施工,且具有更加优越的耗能特性等方向发展。本文对2017年在智利圣地亚哥召开的第16届世界地震工程大会(16WCEE)中防屈曲支撑相关研究工作进行了总结,阐述了传统防屈曲支撑在设计方面存在的问题,其中包括支撑约束段设计、焊接、连接形式、端板旋转和塑性铰出现位置等,介绍了基于非传统材料以及新截面形式的防屈曲支撑相关研究成果,这些成果多数是从构件性能的层面改进传统防屈曲支撑中所存在的种种问题,并通过16WCEE会议的相关研究总结了防屈曲支撑未来的发展趋势,为结构的耗能减震研究奠定了坚实的基础。     

调谐惯容系统的混合隔震体系一致性优化设计

基础隔震技术广泛应用于建筑结构以减轻结构的地震响应.值得注意的是,在隔震体系中减小主结构的加速度响应是以牺牲隔震器变形为代价的.调谐惯容系统(TID)和隔震器组成的混合隔震体系可减小隔震层的位移响应.与传统调谐质量阻尼器(TMD)结构类似,TID 由惯容、调谐弹簧和阻尼元件组成.因此,可直接利用 TMD减震系统的设计公式来确定 TID 的最优参数.首先基于单自由度体系(SDOF)附加 TID的运动方程,推导分析两种 TID和 TMD设计公式,对两者设计公式的前提条件和适用性进行深入的探讨.其后,借助基础隔震体系的benchmark模型来检验设计 TID的可行性和有效性.数值模拟结果表明,在不增加主结构绝对加速度响应的情况下, TID能够显著减小基础隔震结构的位移响应和基底剪力.     

TMD抑制桥梁振动仿真分析

分别建立简支梁和调谐质量阻尼器（TMD）的运动方程,并采用振型叠加法建立与其对应的广义坐标方程,同时结合现代控制理论,采用状态空间法建立与其对应的状态方程,运用SIMULINK仿真系统对简支梁桥进行了动力仿真分析。首先对未布置TMD的系统进行了仿真分析,并与Newmark—β法编程计算的结果对比,两种方法的计算结果十分接近,说明了SIMULINK方法的准确性;在此基础上,对布置TMD的桥梁进行了分析,通过分析TMD参数对减振效果的影响,进行了动力学解释,所得出的优化参数,可供工程控制参考。     

多自由度结构的磁流变阻尼顶层隔振控制

提出了应用磁流变阻尼装置的多自由度结构顶层隔振控制方法.首先,以大质量比TMD控制的减振机理为基础,对顶层隔振结构的动力特性进行研究,建立合理的顶层隔振结构体系;然后,采用磁流变阻尼器对顶层隔振结构的隔振层进行被动和半主动控制,以避免其控制范围较窄的缺点;最后,对三自由度结构进行顶层隔振控制时程分析,得到了比较理想的控制效果.     

大跨度斜拉桥钢塔施工阶段制振用TMD、TLD装置及其性能试验

本文以南京长江第三大桥为例,研制了用于钢塔施工阶段涡激振动响应制振的制振器TMD和TLD。对制振装置以及其所采用的一些关键技术进行了说明。通过振动台试验测试了制振器的动力特性。根据试验结果,对TMD的工作性能,即装置的频率特性、阻尼特性、起动时所需的外激励水平及装置的框架刚度等,进行了评价分析;对TLD实现了其阻尼方案的优化,并确定了其工作时的阻尼隔栅状态。确认了制作完成的制振器具有良好的工作性能。     

调谐质量阻尼控制装置在深圳地王商业大厦风振控制中的应用

本文从控制装置实现角度，研究了调谐质量阻尼控制装置的关键技术，其中包括装置的支撑系统、气压弹簧和液压阻尼器。应用这些技术研究了在地王大厦安装HMD装置控制结构风振响应，解决了地王大厦在风荷载作用下总侧移和层间位移角超出我国规范限值的问题。在准确把握结构动力特性和设计准则的前提下，对控制装置的参数进行了设计。系统仿真分析表明，HMD控制装置在地王大厦上应用可以有效降低结构侧向位移。     

变阻尼半主动结构控制振动台试验

在一个１：４的五层模型刚架结构上进行了变阻尼半主动结构控制振动台试验．在结构的底层安装了一个溢流阀式变阻尼控制器,输入几种不同的地震动并采用几种不同的控制算法对结构进行了变阻尼半主动控制。振动台试验结果表明,受阻尼半主动结构控制仅需要很少的电能,就可以达到较好的控制效果,是一种很有应用前景的结构振动控制方案。结合溢流阀式变阻尼控制器的特点,分析了一些因素对控制效果的影响．     

以振制震--上部结构与下部结构的相互作用

利用上部结构等效模拟TMD(Tuned Mass Damper调谐质量阻尼器)作用,讨论了上部结构对下部结构的反馈作用,提供一种经济、实用的减震方法。通过理论分析及正矢波基底输入计算数据与9组实验数据比较得出结论,TMD减震作用并不乐观,其位移与加速度并非处处同时减小。由于选择质量比和刚度比的范围较窄,在工程实践中很难实现参数控制,因而,必须提高建筑结构实测参数精度,图纸设计参数与实际结构参数相差较大,很难满足TMD减震设计最佳效果要求。不如利用上部结构对下部结构的反馈作用力来实现减震,这样似乎更为经济、实用。     

考虑土-结构动力相互作用的TMD结构减震控制

本文分析了TMD(Tuned mass damper)在刚性地基和柔性地基情况下的减震控制机理,以某6层钢筋混凝土框架结构为研究对象,分别考虑了土-结构动力相互作用对无TMD控制结构的影响,场地条件对TMD减震控制性能的影响和土-结构动力相互作用对TMD减震控制性能的影响。通过分析得出TMD控制系统的减震效果除了与输入地震动特性有关外,还与场地条件、上部结构和基础的动力特性等因素有关。如果土-结构动力相互作用体系的自振周期远离输入地震动的卓越周期,则相互作用体系的地震响应较小。地基土越软,框架建筑结构层间相对位移地震响应也就越小。如果考虑土-结构动力相互作用效应的影响设计TMD调频系统的自振周期,则TMD的控制效果会有一定程度的提高。     

ER智能材料在结构振动控制中的应用

ＥＲ智能材料是一种可控流体,它能在电场的作用下可从牛顿流体变为剪切屈服应力较高的粘塑性体,且这种转变连续,可逆,迅速,因此,可用它来制作可调阻尼器,实现对工程结构风振和地震反应半主动控制,本文在简要地介绍了ＥＲ智能材料电流变效应的基本原理和影响因素之后,建立了适用于土木工程结构控制用的二种类型的ＥＲ可调阻尼器的工作原理和力学模型,并在介绍了ＥＲ可控阻尼器对工程结构风振和地震反应半主动控制的实施原则     

大型复杂动力机器基础参振质量的概念、理论及应用

为满足大型动力机器设备的性能及工艺需求,动力机器基础正朝着大尺寸和构造形式复杂的方向发展。动力荷载作用下,大型复杂动力机器基础自身各部分的振动难以保持同步,即无法完全参振,此时,现有的将基础整体视为刚体进行动力设计的相关国家标准规范不再适用。参考基础动力设计分析中十分重要的地基土参振质量(基础振动时周围地基土同步参振的质量)概念,将大型复杂动力机器基础考虑为由核心实体刚体部分与外围附属弹性体部分组成的刚体-弹性体系统,提出了大型复杂动力机器基础参振质量的概念(核心刚体质量与外围弹性体同步参振质量之和),进而基于弹性半空间理论体系给出了理论求解公式和相应的数值求解流程,并以天津大学在建国家大型地震工程模拟研究设施中的大型地震模拟振动台基础为例,建立了精细化基础-桩基-地基土整体模型,分析了工作荷载作用下基础参振质量。数值结果表明：该基础参振质量总体可达80%以上,基础振动同步性较好。基于文中提出的参振质量概念和数值求解步骤,开展基础参振质量分析,可从振动同步性角度评估基础动力设计的合理性,为大型复杂动力机器基础的动力设计提供支撑。     

土-结构动力相互作用对结构控制的影响

本文研究了土-结构动力相互作用对采取不同控制措施的结构控制效果的影响。文中首先建立了主动调谐质量阻尼器(ATMD)、半主动磁流变阻尼器(MR)和被动多重调谐质量阻尼器(MTMD)等三种结构控制措施在时域中的控制算法和控制律，然后基于子结构法，采用间接边界元方法，通过傅里叶变换，推导了分别安装三种结构控制措施的受控结构在频域中的运动方程，数值仿真分析了某36层高层建筑的地震反应及其控制效果。结果表明，当采用ATMD或MTMD控制时，考虑土-结构动力相互作用后结构地震反应有所减小；当采用MR控制时，考虑土-结构动力相互作用后结构地震反应有很大程度的减小。由此看来，在设计软土地基上高层结构的结构控制措施时，不考虑土-结构动力相互作用对结构控制效果的影响是偏于安全的。     

采用主动TMD制振装置的高层建筑的地震反应分析

在高层建筑顶部设置谐调质量制振装置(简称TMD,Tuned Mass Damper),由利卡提闭合环路对结构地震反应作主动控制。本文就这一系统进行了数值模拟,对多种地震荷载作用下,结构在弹性和非弹性状态下制振装置的效能作了初步分析。     

振戎中学食堂楼耗能减震分析与设计（I）—反应谱法

本文采用耗能减震技术，根据建筑结构抗震规范定的应用谱法，利用CTAB程序对云南省洱源县振戎中学食堂进行了抗震计算分析和设计验算，首先对未加耗能减震装置的空框架结构进行了小震下的位移和强度验算以及大震下的位移验算，其次，介绍了本工程选用的T字芯板摩擦耗能器的工作原理，并对耗能器进行了足尺性试验，第三，根据工程结构的环境特点和建筑使用功能要求，确定了耗能减震方案，最后，对耗能减震结构进行了抗震验算和分析，结果表明，附加耗能器后的工程结构抗震性能得到了明显改善。     

被动及半主动摩擦阻尼器对合肥翡翠电视塔地震反应的控制

摩擦阻尼器是一种构造简单的耗能减振装置,已应用于国内外多座新建建筑的抗震设计和已建建筑的抗震加固．半主动磨擦阻尼器则通过调整阻尼器的起滑力来改善被动摩擦阻尼器的耗能减振性能。本文研究了被动及半主动摩擦阻尼器对于高耸塔架结构地震反应的减振效果。为满足摩擦阻尼器对高耸塔架结构风振控制的特殊需要,本文建立了合肥电视塔的空间桁架有限元模型和串联多自由度体系模型,并在形成控制力变换矩阵和计算摩擦阻尼器两端的相对位移的过程中综合地运用了这两种力学模型。在半主动摩擦阻尼器的控制策略方面,本文提出了一种基于次优控制理论的半主动控制策略．本文研究表明,摩擦阻尼器可以抑制高耸塔架结构的地震反应．而半主动摩擦阻尼辞的耗能减振效果明显优于被动摩擦阻尼器．     

不同形式的TMD系统对超高层结构振动控制分析对比

在TMD系统的质量、阻尼和总刚度均保持不变的情况下,拟定3种不同的TMD系统设置方案,并从地震荷载激励方面来研究调频质量阻尼器对超高层结构的振动控制。通过对3种方案的结构模型进行模态分析和动力时程反应分析,得出在地震荷载激励下控制前后的结构响应,并比较了3种方案下TMD的控制差异,选择出最优方案。此外从能量的角度出发,分析了TMD耗散地震能的能力,并确定出在减少地震输入能及增大阻尼耗能作为控制目标时的最优方案。     

基于磁流变弹性体的调频TMD减振装置

调谐质量阻尼器(TMD)只有在TMD的固有频率与主结构自振频率一致时,才会取得良好的减振效果。而工程结构在长期使用过程中,由于刚度退化、活荷载经常变化等原因,主结构的自振频率会发生改变,大大降低了传统TMD的减振效果。为了克服上述不足,结合磁流变弹性体刚度可调的智能特性,本文提出了基于磁流变弹性体的调频TMD装置。采用HHT变换和自然激励法相结合的方法识别主结构的固有频率,之后根据识别的频率,改变磁流变弹性体的剪切模量,使得调频TMD的频率可以实时跟踪主结构的固有频率。最后对某环形步道的竖向振动响应进行了仿真分析,结果表明调频TMD克服了传统TMD的不足,可以在较宽的频率范围内取得良好的减振效果。