韋融波 李銘書 彭蘇丹 龐 蓉 孫素平
(北方民族大學土木工程學院,寧夏 銀川 750021)
我國屬于地震多發(fā)國,《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定,地震設防烈度在6度及以上地區(qū)需要進行結(jié)構(gòu)抗震設計,而地震基本烈度6度以上地區(qū)面積占全國國土面積約59%以上。地震作用的發(fā)生無法預測且具有很強的破壞性,地震災害往往會造成很大的人員傷亡和社會經(jīng)濟損失,重要原因之一就是由建筑物的破壞甚至倒塌所造成的??蚣芙Y(jié)構(gòu)由于自身優(yōu)點,被廣泛應用于多層辦公樓、宿舍樓、教學樓以及多層工業(yè)廠房中,但是框架結(jié)構(gòu)水平抗側(cè)移剛度較小,容易發(fā)生較大的水平位移,因此對框架結(jié)構(gòu)展開減震研究具有重要意義。
目前,提高結(jié)構(gòu)抗震能力主要兩種不同的方法:一種是傳統(tǒng)設計方法,即通過加強結(jié)構(gòu)的強度和剛度來“抗”震。這種方法明確,易于實現(xiàn),因此被國內(nèi)外許多的結(jié)構(gòu)設計規(guī)范、標準所采用。另一種方法是振動控制方法,是一種對結(jié)構(gòu)抵御地震作用由“抗”到“減”的方法轉(zhuǎn)變[1,2]。自從土木工程領(lǐng)域開始使用振動控制思想,得到了極為廣泛和深入的研究與試驗驗證,各種減震裝置不斷的被研發(fā)并應用。在近幾十年的時間里,很多工程實例都采用了振動控制,使得其已經(jīng)成為一種新的結(jié)構(gòu)防震減災方法。
調(diào)諧液體阻尼器(Tuned Liquid Damper,TLD),是一種結(jié)構(gòu)被動控制裝置,它是利用在結(jié)構(gòu)頂部設置一固定水箱,在地震作用下,固定水箱中液體在晃蕩過程中會產(chǎn)生動側(cè)壓力,以此來提供減振力的一種裝置。TLD造價低、安裝簡單、易維護[3,4],而且可以兼做供水水箱和消防水箱使用,具有廣泛的應用前景。本文以一6層鋼架作為試驗對象,通過對有TLD及無TLD的結(jié)構(gòu)模型進行振動臺試驗,探討了TLD系統(tǒng)在該種結(jié)構(gòu)中的減振作用。
調(diào)諧液體阻尼器(Tuned Liquid Damper簡稱TLD)屬于一種結(jié)構(gòu)控制中的被動控制,減振機理是:當在結(jié)構(gòu)頂部安裝TLD時,結(jié)構(gòu)在受到地震作用時會產(chǎn)生振動,從而帶動水箱一起發(fā)生晃動并激起水箱中液體的晃動。液體晃動過程中碰撞水箱側(cè)壁,產(chǎn)生動水壓力并作用在結(jié)構(gòu)上,這種液體和波浪對箱壁的動壓力差便成為對結(jié)構(gòu)的減震作用力。具體控制作用體現(xiàn)在:
[M]{X}+[K]{X}+[C]{X}=-[M]{Xg}-FTLD。
式中:[M],[K],[C]——結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣;
{Xg}——地面運動加速度;
FTLD——TLD的控制力。
本文分析試驗模型為一6層鋼框架結(jié)構(gòu),試驗設備為WS-5931Z/U160216-DA2型振動臺控制和信號采集儀,如圖1所示。該系統(tǒng)由振動臺、電磁式激振器、功率放大器、振動臺控制傳感器、振動臺控制儀組成,最大加速度為±2g,可實現(xiàn)正弦波、地震波的信號輸出。在試驗時,每層板上均安裝加速度傳感器,以獲取試驗過程中每一層的加速度響應。對有無TLD的結(jié)構(gòu)分別進行頻譜試驗和地震模擬試驗。
首先,對結(jié)構(gòu)模型在設置TLD前后進行振型測試,得到有無TLD結(jié)構(gòu)的前三階頻率和振型,將頻率對比圖繪制于圖2中。由圖2可見,在安裝TLD后,結(jié)構(gòu)的前三階頻率均有所降低,這主要是由于布置TLD后,結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量會有所增大,所以使得頻率有所減小。有無TLD對結(jié)構(gòu)的振型影響并不大,前兩階振型均以平動為主,第三階開始出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。
在對結(jié)構(gòu)進行振動臺試驗時,地震波選擇汶川波,將汶川波輸入到振動臺進行地震模擬試驗。通過每層板上安裝的加速度傳感器,測得有無水箱結(jié)構(gòu)的每層加速度時程響應,選取頂層加速度時程響應繪制于圖3中。由圖3可見,結(jié)構(gòu)頂層加速度隨著地震作用逐漸增大然后由于結(jié)構(gòu)阻尼的作用衰減為0,在結(jié)構(gòu)頂部安裝TLD后,結(jié)構(gòu)的加速度響應明顯降低,降低幅度為51.93%。
為了進行深入研究,不斷改變水箱中水的容量并在水箱中增加鋼絲網(wǎng),對結(jié)構(gòu)進行多次減震試驗,將地震加速度極值隨著水容量以及內(nèi)部增加鐵絲網(wǎng)的變化情況繪制于圖4中,由圖4可見,隨著水箱內(nèi)容量的增大,減震效率先增大后減小,基本在水容量為600 mL時減震效果最好,增加鐵絲網(wǎng)后,由于剛度不夠,因此并沒有明顯的減震效果。
本文進行調(diào)諧液體阻尼器對一6層鋼框架結(jié)構(gòu)減震性能試驗研究,主要得到以下結(jié)論:
1)在結(jié)構(gòu)上安裝TLD后,由于水箱質(zhì)量的增大,使得帶TLD的結(jié)構(gòu)頻率會略有降低。
2)地震作用下,TLD對框架結(jié)構(gòu)頂層的加速度響應有明顯的降低作用,隨著水箱內(nèi)容量的增大,減震效率先增大后減小。