高柔結(jié)構(gòu)減震裝置的研究與試驗(yàn)

高柔結(jié)構(gòu)減震裝置的研究與試驗(yàn)

1960年和1970年，振動(dòng)和隔震技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究開始于日本、新西蘭、美國和意大利。該技術(shù)于20世紀(jì)80年代用于保護(hù)重要建筑、橋梁和其他重要設(shè)備的防滑保護(hù)。后來,這項(xiàng)技術(shù)在中國以及其他許多國家和地區(qū)也得到重視和應(yīng)用。1977年新西蘭Christchurch機(jī)場的一個(gè)煙囪,基底安裝了鋼板式吸能器,用以增加結(jié)構(gòu)的抗震能力,它是一種比較早期使用的煙囪結(jié)構(gòu)的減震方法。1994年1月17日美國加利福尼亞州的諾斯里奇/圣費(fèi)爾南多盆地發(fā)生的地震(ML=6.4)中,有一座7層鋼混結(jié)構(gòu)采用了隔震措施,起到了減震防災(zāi)的作用。目前,對于高層建筑多采用層間位移控制的方法,層間位移控制裝置為鋼質(zhì)阻尼器、粘性阻尼器和摩擦阻尼器等,這種阻尼器的造價(jià)低、易于安裝。阻尼器的恢復(fù)力模型,即力與變形關(guān)系是具有記憶的非線性模型,通常簡化為雙折線型式。在相對變形比較大的層間安裝這類阻尼器時(shí),阻尼器的性能一般由試驗(yàn)方法給出,在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意到,由于阻尼器的安裝使系統(tǒng)的變形,內(nèi)力又重新分配,要適當(dāng)?shù)剡x擇阻尼器的參數(shù)。被動(dòng)的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(簡稱TMD)控制方法也用于高柔結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)控制,調(diào)諧質(zhì)量阻尼器安裝在一個(gè)塔式結(jié)構(gòu)上,TMD的質(zhì)量是塔式結(jié)構(gòu)本身重量的1/100,其固有頻率與結(jié)構(gòu)的第一階頻率近似相等?，F(xiàn)在TMD裝置已有現(xiàn)成的產(chǎn)品,已趨于成熟。隨著高層建筑結(jié)構(gòu)的層數(shù)愈來愈多,結(jié)構(gòu)物的材料為鋼材料和玻璃,阻尼小。人們把這種結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)和抗地震控制的希望寄托于主動(dòng)控制方法。目前已提出的主動(dòng)控制方法是拉筋控制,氣體脈沖控制和主動(dòng)TMD控制方法等。但是,這些方法存在一些問題,如對高層建筑物,減震裝置本身自重太大,地震來臨時(shí),供電系統(tǒng)遭到損壞的可能性又極大,這樣,沉重的裝置本身會(huì)對減震起到相反的作用。本研究提出的減震裝置是采用被動(dòng)控制的方法,它適用于高層建筑物、電視發(fā)射塔、高壓輸電塔架和煙囪等重量較輕的高柔結(jié)構(gòu)。1增延裝置的外力作用本減震裝置僅實(shí)用于電視塔、高壓輸電裝置等高柔建筑結(jié)構(gòu),它由3個(gè)主要部分組成,如圖1所示。在高柔結(jié)構(gòu)的防震方向兩側(cè)安裝剛性較大的增延裝置④,其一端與結(jié)構(gòu)固定在一起,另一端上安有可以轉(zhuǎn)動(dòng)的滑輪③。圖中②為強(qiáng)度較高的鋼絲繩,其一端與高柔結(jié)構(gòu)的頂端固定在一起,鋼絲繩與頂端滑輪和各增延裝置的滑輪相接觸,并繞過固定在基底的滑輪⑥后和彈簧⑤相連接,⑦和⑧是彈簧的固定和導(dǎo)向裝置。在外力作用下,當(dāng)結(jié)構(gòu)在一個(gè)方向上產(chǎn)生位移時(shí),各增延裝置圍繞所在固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),在另一方向上因增延裝置下端的滑輪有位移產(chǎn)生,使鋼絲繩受拉,產(chǎn)生一個(gè)與彈簧剛度成正比的力,該力施加在結(jié)構(gòu)的頂部和各增延裝置部分,產(chǎn)生一個(gè)減少結(jié)構(gòu)位移的力。這樣利用該裝置可以減少結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。由于結(jié)構(gòu)變形引起支承點(diǎn)間距離的改變,致使鋼絲繩受到一個(gè)作用力,該力來源于減震裝置。實(shí)際的裝置是一個(gè)彈簧,經(jīng)計(jì)算彈簧的伸長是非常小的,只相當(dāng)減震裝置上端支承點(diǎn)最大變形的0.16%,更重要的是這種變形是隨時(shí)間變化的,所以說鋼絲繩受到的拉力也是隨時(shí)間變化的。鋼絲繩拉力P可以表示為如下形式:Ρ(t)=Νw?Κw?△U(t)(1)P(t)=Nw?Kw?△U(t)(1)式中Kw為底部彈簧的剛度,Nw為減震裝置的放大系數(shù),△U(t)是某時(shí)刻的彈簧的伸長。2工字鋼地震輸入求解在指定荷載作用下減震裝置引起的減震效果,將結(jié)構(gòu)分成有限多自由度體系,系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為Μ¨x+C˙x+kx=f(2)式中,M為質(zhì)量矩陣,C為阻尼矩陣,k為剛度矩陣,f為輸入地震力。為了檢驗(yàn)減震裝置的效果,設(shè)計(jì)了一個(gè)由工字鋼做成的懸臂梁的數(shù)字試驗(yàn),裝置如圖1所示,工字鋼的參數(shù)為:截面高h(yuǎn)=12cm,單位長度質(zhì)量=14.2kg/m,彈性模量E=2.058×1011Pa,慣性矩I=282.62cm4,梁的高度lR=7.5m,kω=490N/cm。取EICentro地震波作為地震輸入。輸入地震波最大加速度取1.08m/s2,放大系數(shù)Nω為0.3,0.4,0.5等各種數(shù)值時(shí),計(jì)算各自由度的位移、速度、加速度,都有很好的減震效果。表1中列舉了基底輸入加速度最大值為1.08m/s2,放大系數(shù)Nω=0.5,有減震裝置和無減震裝置的計(jì)算結(jié)果。輸入地震波最大加速度取0.69m/s2,放大系數(shù)Nω為0.5,0.6,0.7,0.8等各種數(shù)值時(shí),亦都有很好的減震效果。表2中列舉了基底輸入加速度最大值為0.69m/s2,放大系數(shù)Nω=0.7時(shí),有減震裝置和無減震裝置的計(jì)算結(jié)果。由此可以看出,對不同的地面輸入,采用減震裝置都可以得到較好的減震效果。3共振試驗(yàn)結(jié)果為了印證高柔結(jié)構(gòu)減震裝置的減震效果,在大型結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了一個(gè)模型試驗(yàn),試驗(yàn)對象是一個(gè)工字鋼,腹板高度為12cm,翊緣寬為6.5cm如圖1所示。在兩側(cè)的翊緣上都裝有3個(gè)增延裝置,每個(gè)增延裝置的長度是2.5m,工字鋼的高度是7.5m,工字鋼的底焊接在厚為2cm的鋼板上,并在翊緣和鐵板之間焊斜撐,通過鋼板將試驗(yàn)對象固定在5m×5m的振動(dòng)臺(tái)上,鋼絲繩直徑為5mm,彈簧的剛度系數(shù)約為500N/cm。試驗(yàn)時(shí),對不加減震措施的自由狀態(tài)和加減震措施的連接狀態(tài)做了對比,基底輸入為正弦波,臺(tái)面輸入位移為±1cm。在不同頻率條件下進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn),圖2中實(shí)線是連接狀態(tài)的結(jié)果,而虛線是自由狀態(tài)的結(jié)果。共振試驗(yàn)的結(jié)果示于表3、表4和圖2,放大倍數(shù)Q值是頂端位移和臺(tái)面位移之比,由此可以看出:(1)由于減震裝置的約束作用,增加了系統(tǒng)的剛度,共振頻率從自由狀態(tài)時(shí)的1.05Hz,增加到1.16Hz,共振頻率略有增加。(2)自由狀態(tài)時(shí)在共振頻率1.05Hz時(shí)放大倍數(shù)Qf=120,連接狀態(tài)在共振頻率1.16Hz時(shí)放大倍數(shù)Qc=33.7。(3)減震效果是指相同輸入頻率下臺(tái)面以上兩種狀態(tài)時(shí)放大倍數(shù)之差△Q(△Q=Qf—Qc)與Qf之比。共振點(diǎn)的減震效果為71.9%?？傊?不論是數(shù)值計(jì)算還是模型實(shí)驗(yàn),都印證了該減震裝置是有明顯的減震效果的。4災(zāi)害急救中的小農(nóng)藝事?lián)蜃畲蟮牡聡侥岷谠俦ｋU(xiǎn)公司發(fā)布的一份年度調(diào)查統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示,2004年全球死于各種自然災(zāi)害的人數(shù)是2003年的8倍,有30多萬人被地震及地震次生災(zāi)害奪去了生命,僅2004年12月26日印度洋地震和海嘯造成的人員死亡就達(dá)29萬7271人。地震災(zāi)害在全球也是呈一種加速發(fā)展的態(tài)勢。另外,當(dāng)前全球每年約發(fā)生600至700萬起火災(zāi),約有6至7萬人在火災(zāi)中喪生。發(fā)生火災(zāi)多和死亡人數(shù)多的前8個(gè)國家依次是印度,俄羅斯,美國,中國,日本,烏克蘭,南非,德國。另據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示全球的GDP翻一番,災(zāi)害造成的損失就增加3倍。因此,各國政府和有關(guān)部門特別重視地震和火災(zāi)等災(zāi)害的防御和救生。通常防御地震的辦法是靠增加結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度來提高這類結(jié)構(gòu)的抗震能力,需要較大的投資,有時(shí)甚至難以實(shí)現(xiàn)。目前許多科學(xué)家在研究如何通過結(jié)構(gòu)控制的途徑增加抗震能力。各種救生裝置、減震和隔震裝置層出不窮。Internet或媒體報(bào)導(dǎo)中的火災(zāi)救生措施不外以下幾種:(1)直升飛機(jī)救生(直升飛機(jī)落在平屋頂上或?qū)⑵滠浱菹路诺疥柵_(tái)或窗口處);(2)利用熱氣球救生;(3)利用長尼龍筒,人從筒中滑到地面上逃生;(4)在窗口兩側(cè)設(shè)有繩子,人得到火災(zāi)報(bào)警信號后即利用繩子逃生;(5)在地面放一個(gè)充氣尼龍墊,人從不同樓層跳下落到此墊上逃生;(6)利用消防車的云梯從陽臺(tái)上或窗口以及其它地方將人救生,(7)各種類型的高層建筑循環(huán)救生梯。上述列舉的各種方法,不但效率低安全性也極差,甚至造成新的傷亡,有些措施對于較高樓層甚至無能為力。而對于地震及其次生災(zāi)害,上述救生措施根本無效。因此,社會(huì)對同時(shí)具有減震效果的救生裝置的需求特別迫切。本文作者將繼續(xù)對減震裝置的應(yīng)用進(jìn)行探索和研究,該減震裝置主要適用于高層建筑物、電視發(fā)射塔、高壓輸電塔架和煙囪等重量較輕的高柔結(jié)構(gòu)。本文主要承擔(dān)者是“建筑物和構(gòu)筑物無能耗減震裝置”和“高層建筑垂直運(yùn)輸災(zāi)害救生多功能裝置”專利發(fā)明人(專利號分別是87107203和87105370.5)。因?yàn)榛馂?zāi)發(fā)生時(shí)必須切斷電源,新裝置作為救生用時(shí)是利用人