地震是人类面临的最严重的自然灾害之一,强烈地震往往带来巨大的生命和财产的损失。
我国地震区域广阔而分散, 地震频繁而强烈, 在二十世纪内震级等于或大于8的强地震已经发生10次之多, 其中发生在人烟稠密地方的地震损失惨重,就如2008年5月12日的汶川大地震。
1 地震工程学的研究内容、目的与意义地震工程学是研究地震动、工程结构地震反应和抗震减灾理论的科学[1]。
其中地震动的研究又包括: 地震地质背景、强震观测、地震动基本特性、地震动的模拟及震害现象分析等; 工程结构地震反应包括试验观察与理论分析两部分; 抗震减灾理论主要包含抗震设计理论、结构振动控制理论、地震危险性分析、震害预测理论、防灾规划与灾害控制理论等。
地震工程学研究地震动的目的在于通过对地面运动规律、地震动特性与震害现象的了解与总结, 结合地震工程学其它方面的研究内容, 探求从工程角度减轻和控制地震灾害的方法。
而抗震减灾理论的研究目的在于通过研究地震动与工程结构的动力性能, 以达到减轻、控制地震灾害的目的。
我国是一个多地震的国家, 海城、唐山、汶川等强烈地震给人民的生命财产造成了巨大损失。
对地震灾害应贯彻预防为主的方针, 其中最根本的预防措施是搞好抗震设防, 提高工程结构的抗震能力[2]。
地震工程学的最终任务是根据地震预报现有结果, 在国家经济政策的指导下, 经济、安全而又合理地规定兴建工程的抗震设防技术措施, 同时对已有的工程规定鉴定标准和加固措施[3]。
近年来将磁流变(MR)、形状记忆合金(SMA)和压电陶瓷(PZT)等智能材料引入其中,为建造大震不倒的结构提供了光辉灿烂的前景,也为振动控制的研究平添了无穷的活力。
目前对MR阻尼器的研究已经比较深入和成熟,故有必要加强对其它半主动控制装置的研究与开发。
本文基于形状记忆合金(SMA)和压电陶瓷(PZT)两种智能材料的特点,提出了三种压电复合变摩擦阻尼器,它们充分利用PZT的正、逆压电效应和响应速度快的优点以及SMA丝出力大、性能稳定的特性,结合摩擦阻尼器的简单构造,改善了现有压电阻尼器的性能,力图推进压电阻尼器的实用化进程。
在电场作用下,变形被约束的叠层压电陶瓷驱动器能够瞬间提供可控的驱动力(即逆压电效应),而且控制系统简单可靠,这些特点为其实用化提供了方便。
利用这个特点,分别研发了水平面内无方向性的压电变摩擦阻尼器和压电-SMA复合变摩擦阻尼器,与圆形隔震橡胶支座协调工作,能够在水平各个方向提供可控的摩擦阻尼。
对安装有新型阻尼器的智能隔震结构进行了理论分析和试验研究。
在此基础上,还提出了压电自发电的智能隔震系统的理论构想。
主要工作包括以下几个方面?.(1)针对新型的压电阻尼器和压电-SMA变摩擦阻尼器,制作了其实验室比例的模型。
分别进行了压电陶瓷出力性能试验、SMA丝材料性能试验和两种新型阻尼器的动力性能试验:压电驱动器出力性能试验结果表明,开始阶段预压力的增加能提高压电陶瓷驱动器的出力,但随着约束钢架被预压得越来越紧密,压电驱动器出力趋于稳定。
阻尼器性能试验主要研究其动力特性,研究了施加固定预压力(对应于“被动关”状态)和同时施加预压力和变电压下阻尼力(对应于半主动控制状态)的特性,特别是研究了双向滑动时压电摩擦阻尼器的动力特性,还测试了大行程下SMA丝提供的阻尼力特性。
结果表明,SMA丝能够在隔震层位移较大时,提供很好的复位力。
智能阻尼器半主动和被动状态下的可控阻尼力稳定,滞回性能在低频段基本不随加载频率的变化而改变。
双向滑动时,起滑阶段x、y方向初始刚度相差较大,滑移稳定后双向的动力特性稳定。
(2)由于压电-SMA复合变摩擦阻尼器构造复杂,而且两种智能材料(叠层压屯驱动器和SMA丝)都在贡献阻尼力时导致阻尼器变形,而目前研究中基于单向胡克定律的压电可调正压力计算公式已经不再适用。
所以,提出了基于有限元分析的智能阻尼器可调阻尼力计算模型和带电压参数的形状系数计算公式。
通博I:学位论文过Ansys分析还证明了长行程的)五电复合阻尼器中,压电正压力偏心,对可调阻尼力的影响非常小,并推导了可调阻尼力偏心影响的计算公式。
在此基础上,还优化了复合智能阻尼器的刚度参数。
(3)对基于压电-SMA复合变摩擦阻尼器的智能高位层间隔震系统进行了仿真分析。
以一14层的高位(第9层)层间隔震实际工程为算例,进行了限幅最优半主动控制和被动开、关控制以及最优电压控制的比较分析,首先确定了加层隔震抗震加固的智能隔震结构的控制效果评价指标,应用限幅最优控制策略和最优电压被动控制策略对层间隔震结构的地震响应进行了分析。
结果表明,最优电压被动控制能取得半主动控制非常接近的控制效果,有效减小结构的地震响应(特别是隔震层的层间位移)。
(4)进行了安装压电-SMA摩擦阻尼器的钢框架隔震模型结构(包括基础隔震和层间隔震)的振动台试验。
试验结果表明,新型智能阻尼器的主要构件(压电套筒、约束钢架和SMA丝调节阀)都能在隔震层与圆形隔震垫协调工作,提供水平任一方向的可控阻尼力。
比较分析了不同地震波输入下压电摩擦阻尼器的控制效果,特别是研究了隔震层位置不同时(基础隔震、首层隔震),智能隔震的控制效果。
试验结果表明,压电-SMA复合变摩擦阻尼器和相应的控制策略都是非常有效的:被动、关控制和最优电压控制均能减小结构的响应,最优电压控制不仅费效比是最好的,而且能充分发挥压电-SMA摩擦阻尼器的性能,获得很好的控制效果,特别是大幅减少了隔震层的位移,对层间隔震结构而S,不仅仅提高了隔震结构性能,而且也减少了效应引起的弯矩和剪力,提高了层间隔震系统的可靠性。
(5)对于偶然偏心作用导致结构的地震扭转响应,压电-SMA复合变摩擦阻尼器中的SMA丝能够提供抗扭拉力和阻尼,抵抗偶然偏心的作用。
数值分析和振动台实验都证明,当压电-SMA复合阻尼器安装在结构平面位置的中心时,偶然偏心不会导致结构有明显的扭转振动。
而一般的智能阻尼器都要求布置在结构平面位置的四周来抗扭,以牺牲半主动控制力为代价。
(6)提出了一种压电自发电的变摩擦阻尼器和相应的智能层间隔震系统的理论构想。
以隔震层地震波输出激励为发电激振力,设计了强制式叠层压电发电装置,推导了地震激励下发电装置发电能力的计算公式,并对两质点层间隔震模型进行了仿真分析,理论证明了IE电自发电智能隔震系统的可行性1.2减震控制的研究进展控制理论上,1972年姚治平结合机械与自动化学科的成果,首先提出了土木工程结构振动控制的概念[5],通过世界各国土木工程研究人员和工程师的不断努力[6】,取得了丰硕的研究成果:国际上,Housner等17】在1997年的国际结构振动控制的会议上对其从1972年以来研究成果进行了系统总结,并对未来的发展进行了展望。
国内,也是在上世纪七十年代后期周福霖、周锡元、王光远、唐家祥等,进行了开拓性的工作,使我国的振动控制技术紧跟国际水平。
工程实践中,20世纪70年代,美国首先开始建造减振大楼。
纽约市的Citicorp大厦采用了被动减振的TMD,此后在波士顿等城市一个接一个地出现了采用该方式的超高层建筑,但TMD作为狭带控制,并不能完全抑制超高层的风致振动,因此在美国被动减振的构想就中断了。
円本作为一个两大地质板块交汇处的海岛国家,强烈的太平洋台风和频繁的地震使这个国家对振动控制有迫切的需求,故其能传承美国的经验,将被动控制向主动控制方向推进。
80年代后期,通过大学和企业研究者之间非常活跃的交流,1993年在横滨建成地标塔,这座高76层296米的超高层建筑,在塔顶安装有2台主动型控制装置,这是世界上最早的AMD超高层建筑。
现在的日本有超过60栋采用主动控制的大楼,安装有AMD或HMD(混合型质量阻尼器)。
2002年,采用多塔楼之间主动连体减振装置的东京Triton 广场建成,它克服了AMD中质量惯性力对高层建筑而言控制力偏小的问题,在三个高185ni、165m、130m的塔楼利用2台主动控制天桥实现减振主动控制,主-动控制天桥还可以作为大楼之间的连接通道。
可以预见,耗能低、可靠性高的半主动控制在超高层和桥梁等大型土木工程中也将得到使用。
综上所述,振动控制是在工程结构的特定位置(例如,楼顶连接天桥、隔震层和层间位移较大的建筑底层等)安装某种控制装置(如隔震支座,摩擦滑摆等)或控制机构(如阻尼器、耗能支撑、耗能剪力墙等)或某种子结构(TMD或TLD) 甚至是某种施加外力的设备(如液压作动器和直线电机),对结构施加控制力或调整结构的动力特性,控制结构的动力响应,使之在极端情况下不倒塌甚至是能正常的使用。
一般地依照是否需要能源输入分为被动控制系统、主动控制系统、半主动控制系统、智能控制系统和混合控制系统t7];按照控制过程可分为无反馈控制和反馈te制。
基十压电-SMA变摩擦附尼器的智能隔震系统试验.1J理论研究1.3.2层间隔震层间隔震(Inter-story isolation)是由基础隔震结构发展而来的复杂结构体系,即隔震层设在建筑物上部结构两楼层之间,将隔震层上提,已不再是基础隔震,其动力特性同时受到隔震层以上的上部结构及下部结构的影响。
国际知名学者和田章[161]如是描述“为了使与容许隔震层变形的周围有较小的缝隙,防止隔震层受拉拔起,以及为了控制高宽比,将隔震层上提,已不再是基础隔震,而是一种m的隔震体系一层隔震系博士学位论文减少下部结构的地震响应。
+1.3.1基础隔震基础隔震(Base isolation)是指在结构物的底部与基础面之间设置隔震装置而形成的结构体系,包括上部结构、隔震层(隔震装置)两个重要的组成部分。
隔震系统的特点就在于隔震层水平刚度很低,甚至可以只有正常楼层的百分之一左右,可使结构前几阶周期延长到2?5s,故隔震结构周期的长短是衡量一个国家隔震研究和设计水平的重要标志。
1978年现代橡胶制作技术和机械加工技术的结合,美国Kelly和Eidinger提出叠层钢板橡胶支座隔震方法和技术标志着现代隔震技术进入了工程实用化的阶段。
1981年铅芯橡胶支座在新西兰的William Clayton政府办公大楼首次采用,大幅推进了它的发展,1985年高阻尼橡胶隔震支座首次在美国第一栋隔震建筑(加州圣丁司法事务中心)采用[163],进一步完善了该技术。
这三种隔震支座的实用化,表明现代隔震技术已经走向成熟和完善。
而上世纪90年代北岭地震(美国)和阪神地震(曰本)中隔震建筑的优异表现[164_165],非常幸运地使隔震技术在其成熟后10年左右就得到了世界范围内的认可和普及。
基础隔震建筑承受实际地震的考验最经典的范例是美国洛杉肌南加州大学校医院,北岭地震中这栋建筑完好无损,橡胶支座起到了很好的隔震作用,震后医院内部设备仍然能正常使用(成为救灾应急中心)。