采用结构振动控制技术最多的工程结构有超高层建筑、高耸塔架和大跨度桥梁。对于一些重要的城市生命线工程结构,有时也采用结构振动控制技术。
工程结构振动控制
在工程结构中,为减小结构在各种外荷载(地震作用、风荷载、机械激振等)作用下的振动反应,满足工程结构在正常使用条件下的功能要求和承载能力极限状态时的安全要求、结构抗震验算时抗震性能要求而采取的结构控制技术。
- 英文名称
- vibration control of engineering structure
- 所属学科
- 土木工程
工程结构振动控制可分为被动控制、主动控制和半主动控制3种。此外,混合控制也成为工程结构振动控制领域新的发展趋势。
①被动控制,是无外加能源的控制。其控制力是控制装置随结构一起振动变形,因装置自身的位移与运动而被动产生的。主要分为耗能阻尼器,包括摩擦阻尼器、金属阻尼器、黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器;耗能构件,包括耗能支撑、防屈曲支撑;调谐质量阻尼器(简称TMD)和调谐液体阻尼器(简称TLD)。这些被动控制装置诸如调谐质量阻尼器、耗能阻尼器等形式多样,已用于多项实际工程,如上海东方明珠电视塔、上海中心大厦等就采用了被动控制技术。
②主动控制,是有外加能源的控制。其控制力是控制装置按某种控制规律,利用外加能源主动施加的。有主动调谐质量阻尼器(简称ATMD或AMD),主动拉索,主动挡风板等。主动控制效果较好,但需要从外部输入能量,像高层建筑和大跨度桥梁这样的庞然大物,用能量控制是十分不易的,加上主动控制装置十分复杂,需要经常维护。美国、日本等国在个别工程中已应用了主动控制技术。
③半主动控制,一般为有少量外加能源的控制。其控制力虽也由控制装置自身的运动而被动地产生,但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调整自身的参数,从而起到调节控制力的作用。
④混合控制,在结构上同时应用被动控制和主动控制,或者同时应用不止一种的被动控制装置,以充分发挥每一种控制形式和控制装置的长处,获得更好的控制效果。根据不同建筑物、结构的不同抗震与抗风要求、技术可靠性和造价经济性,选取耗能、质量调谐、主动控制中的两种(或两种以上)控制技术相结合,使其达到减振效果好、安全可靠、造价适宜的目的,如南京电视塔、广州新电视塔等采用了混合控制技术。
采用工程结构振动控制技术,对比传统抗震(风)技术具有很多优越性:①安全可靠,可有效实现结构的抗震与抗风性能要求。②节省工程造价。③使建筑结构设计不受太多限制,可按照建筑结构的功能要求,实现其性能要求。④适应范围广,既适用于新设计的工程结构,也适用于既有工程结构的抗震、抗风性能的提高与改善;既适用于高层建筑、高耸结构和大跨度桥梁,也适用于地震时要求保证绝对安全的重要工程结构,如核电站工程结构、超高层建筑、大跨度桥梁、城市生命线工程、卫星地面站和海洋平台等。⑤检测修复方便,确保灾后的快速修复。由于结构振动控制是通过外设装置而不是通过结构本身达到减震(抗风)要求,故对其减震(抗风)性能的检测修复也只限于外设装置。