滑动屋盖被动管控在高层抗震应用

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1、滑动屋盖被动管控在高层抗震应用1绪论1.1结构振动控制的分类结构振动控制技术得到了迅速发展，目前已经成为土木工程学科中的一个十分活跃的研究领域。基础隔振是在主体结构与基础之间设置某种隔振装置，以减少地震动输入结构的能量。基础隔震是振动控制领域最为成熟的一项技术，也是目前的应用最为广泛的一项技术，广泛使用的隔震装置有铅芯橡胶支座等。消能减振体系是把结构的某些非承重构件设计成消能元件，通过消能元件来吸收地震能量；此种控制的原理是：在强震作用下，首先让消能元件进入非弹性状态，产生较大的阻尼，大量耗散能

2、量，从而使主体结构的动力反应减少。调谐质量阻尼（TMD）控制一般安装在主体结构的顶层，由质量、刚度元件、阻尼元件构成，一般来说TMD控制装置的最优振动频率为主结构的自振频率，其减震原理为让控制装置与主体结构共振来达到吸收动力的目的，并通过阻尼元件来消耗结构的振动能量从而降低主体结构的动力响应[13~22]。1.2调谐质量阻尼器的应用现状调谐质量阻尼器在土木工程中有着较早的应用历史。TMD系统最早于1977年在美国高244米的汉考克大厦上得到应用，在该大厦TMD系统被安装在第58层上，惯性质量由铅

3、制作重达300吨。于2004年年底建成的的台北101大厦，因其位于高地震区为了降低建筑的地震反应，设计了一个重达662吨的球形惯性质量。表1.1列出了近年来TMD的应用情况表1.1TMD实例应用目前高层建筑向着高度更高、体型更大、结构更复杂、建筑更艺术更优美的方向发展。人们对建筑的美观和使用功能的要求越来越高，并出现了更多和更复杂的结构形式，这为结构工程师带来了新的挑战[43~52]。传统的抗震理念是通过牺牲结构自身材料的应变能来消耗地震能量，这种理念已经越来越达不到人们对建筑物适用性与耐久性的

4、要求，为此产生了振动控制的研究。被动控制中的调谐质量阻尼控制装置因其具有构造简单不需外部能源支持的优点吸引了许多学者对其进行研究。但到目前为止，大部分的TMD系统设计是针对结构的风振效应进行控制，而用于控制建筑结构地震效应的实例极少[15,16]。另一方面，学者对建筑结构被动控制的关注焦点绝大部分集中于TMD减震系统的理论方面，而传统的理论研究又大多集中于最优参数的研究，如减震系统与主系统的质量比、阻尼比、频率比等[6,7]，但对于怎么在实际工程中实现研究甚少。传统的TMD控制系统存在两个明显有

5、碍于应用于实际的缺陷：一是，当主结构所受的外激励的频带非常窄，且外激励的卓越周期接近主结构的基本周期时TMD的减振效果较好，当外激励的频带较宽或外激励的卓越周期偏离主结构的基本周期时，控制系统的减振效果明显降低。二是，它的有效性对结构自振频率的波动也很敏感，即对地震谱和结构自身参数的鲁棒性较差。另外传统的TMD控制系统对自身的质量大小也有相应的要求，大质量的构件也不便于安装[2~5]。因此，控制效果不稳定、可实现性较差，不能广泛的使用。2滑动屋盖摩擦控制系统的减震原理及计算分析方法2.1滑动屋盖

6、摩擦控制系统减震原理滑动屋盖摩擦控制系统属于被动控制其作用机理如同TMD但又与传统的TMD不同，它利用屋盖做TMD的质量使用弹簧与下部的柱子或梁连接，改变弹簧的刚度使屋盖成为建筑物集中能量的装置，并通过屋盖与下部结构之间的相互摩擦将能量耗散掉。摩擦阻尼的特点是阻尼形式简单，易于实现，屋盖既当控制系统的质量又提供摩擦所需的压力，使系统的结构大大简化了，控制系统形式如图2.1所示：滑动屋盖摩擦控制系统没有粘滞阻尼而是使用摩擦力代替了粘滞阻尼力，摩擦力在控制系统中具有保护屋盖与拓宽控制系统鲁棒性的作用

7、。主体结构当受到地震作用发生振动，若是地震力通过主体结构传到滑动摩擦控制系统的力大于屋盖的静摩擦力，控制系统便会启动，屋盖通过摩擦运动来吸收地震能量，减小主体结构的位移反应。通过对哈工大振动台实验的观察，可以发现滑动屋盖摩擦控制系统的运动方式并不是通过发生很大的滑动距离来耗能，它的滑动距离其实很小，这也说明了滑动屋盖摩擦控制系统的摩擦耗能原理不是通过长距离的滑动来耗能的而是通过撞击式、嵌入式的摩擦来耗能的。这样的摩擦耗能方式也是符合常规振动原理的，而且这种微滑动耗能能够保护屋盖不受破坏。下面将介

8、绍一下滑动屋盖摩擦控制系统的振动台实验，以及通过振动台实验得出的控制系统的一些减震规律。2.2滑动屋盖摩擦控制系统的减震效果对滑动屋盖摩擦控制系统的减震效果有振动台实验的证明，本文所引用的振动台实验是田志昌教授于2001年在哈尔滨工业大学结构工程实验室所做。此次实验是在安装了滑动屋盖摩擦控制系统模型的五层钢框架模型上完成的。实验结果表明，滑动屋盖摩擦控制系统可以使扫频波引起的模型结构最大位移反应降低60％以上；滑动屋盖摩擦控制系统对强震的减震效果要好于对弱震的减震效果；实验还说明，最优摩擦系数的