1、高耸结构的振动控制第 33 卷第 10 期?134?2007 年 4 月山西建筑sHANxlARcHITE 瓜VoI.33No.10Apr.2007文章编号:1009.6825(2007)10 013403高耸结构的振动控制刘勇孙计军摘要:介绍了高耸结构振动控制的基本原理,并阐述了被动控制 ,主动控制和半主动控制等三种高耸结构振动控制的主要方法,最后论述了高耸结构振动控制的手段和装置,以保证高耸结构建筑物的安全.关键词:高耸结构,振动控制,控制方法,控制装置中图分类号:TU311.3 文献标识码:A引言高耸结构(Hi 一 riseStructure)是一种高宽比较大的构筑物,一般有塔式 Tow
2、erStructure)和桅式(GuyedMastStructure)两种形式,其柔度较高层建筑更大,易产生较大的振动和变形.高耸结构的竖向振动位移小,就控制而言,主要关心结构的水平振动特性.塔式结构动力特性较为简单,可简化为弯变悬壁这些学术活动的开展大大加强了各国学术界之间的合作与交流,取得了显着的成果,部分科研成果已应用于工程实践并成为指导工程设计,施工,维护等的标准性技术文件.如美国 ACI437 委员会于 1991 年提出了“已有混凝土房屋抗力评估 “的最新报告 ,提出了检测试验的详细方法和步骤.美国联邦公路管理局制定计划,研究了桥面板耐久性检测和钢筋锈蚀的防护问题.日本从1980 年
3、就组织进行“建筑物耐久性提高技术 “的开发研究 ,并于1985 年提交了研究成果概要报告,1986 年开始陆续出版发行了建筑物耐久性系列规程.日本建筑学会(AU)1988 年推出了建筑物使用指南,1992 年又推出了建筑物现状调查,诊断,维修指南.同年,欧洲混凝土委员会颁布的耐久性混凝土结构设计指南反映了当今欧洲混凝土结构耐久性研究的水平.2 耐久性研究的国内动态我国从 60 年代开始了混凝土结构的耐久性研究,当时主要的研究内容是混凝土的碳化和钢筋的锈蚀.80 年代初我国对混凝土结构的耐久性开始了广泛而深入的研究,取得了不少成果.中国土木工程学会于 1982 年,1983 年连续召开了两次全国
4、耐久性学术会议,为混凝土结构规范的科学修订奠定了基础,推动了耐久性研究工作的进一步开展.1990 年 4 月建设部组织成立全国建筑物鉴定与加固委员会,至今已召开三届学术交流会.全国钢筋混凝土标准技术委员会混凝土结构耐久性学组于 1991 年成立.中国土木工程学会,混凝土与预应力混凝土学会,混凝土耐久性专业委员会也于 1992 年 11 月在济南成立.铁道部,交通部和中国土木工程学会等有关单位结合工程的需要对混凝土结构的腐蚀组织进行了实验研究,收集了大量的实验数据.各个高等院校作为科研工作的主要力量之一,也为混凝土耐久性研究做了很多工作.1991 年 12 月在天津成立了全国混凝土耐久性小组,它
5、的诞生使我国在混凝土结构耐久性的研究方面朝系统化,规范化的方向迈进了一步.国家科委 1994 年组织的国家基础性研究重大项目(攀登计划)“ 重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究“也取得了很多研究成果_4J.2000 年 5 月在杭州举行的土木工程第九届年会学术讨论会,混凝土结构的耐久性是大会主题之一,会议认为必须要重视工程结构耐久性的研究.2001 年 11月国内众多有关专家学者在北京举行的工程科技论坛上,就土建工程的安全性与耐久性问题进行了热烈的讨论,混凝土结构耐久性问题得到了前所未有的重视.我国的混凝土耐久性研究已进入有组织的工作阶段.建设部在“七五 “和“八五“期间都专门设立课题研
6、究混凝土的耐久性问题.“七五“ 攻关课题为 “大气条件下钢筋混凝土结构耐久性及其使用年限“,包括结构的耐久性调查 ,钢筋锈蚀,混凝土碳化,温湿度对碳化的影响等;“八五“ 攻关课题为“预应力混凝土结构及混凝土耐久性技术“,包括拟建混凝土结构耐久性设计方法,在用混凝土结构的耐久性检测和评估方法时,在一定条件下诸多因素对混凝土结构耐久性的综合影响以及建立混凝土结构耐久性数据库等,目前已取得了一些成果.此外,作为建设部“九五 “科技研究课题的 混凝土结构耐久性设计建议 正在编制之中.总之,无论是在国内还是国外,由于腐蚀引起钢筋混凝土结构物的耐久性问题已引起全世界土木工程界的关注,成为目前研究的一大热点
7、.参考文献:1GBJ8385,建筑结构设计通用符号计量单位和基本术语S.2李田,刘西拉 .混凝土结构的耐久性设计J,土木工程学报,1994,27(2):4755.3刘西拉,重庆土木与水利工程安全性及耐久性的基础研究J.土木工程,2001,34(6):1-7.4晋向平.混凝土结构耐久性初探J.山西建筑,2005,31(7):3031.PresentsituationofresearchintothedurabilityofconcretestructureYANGGuang-yunAbstract:Thefollowingpaperintroducesthemeaningofconcretest
8、ructuraldurability,analyzesitsimportance,illustratesitsresearchtrendsathomeandabroad,inordertopromotetheresearchintoconcrestructuraldurabilityandprolongservicelifeofbuiHing.Keywords:concrete,structure,durability,trends收稿日期:20061121作者简介:刘勇(1975 一), 男 ,助教,山西大同大学建筑工程系,山西大同 037008孙计军(1972), 男,西北工业大学硕士研究
9、生,陕西西安 710072第 33 卷第 10 期 2007 年 4 月刘勇等:高耸结构的振动控制 ?135?杆件;有明确的各阶周期,振型和阻尼,而且较高层建筑有参振振型增多,频率分布低频密集的特点.桅式结构常简化为弹性支座连续梁;表现出很强的非线性,没有固定的自振频率 ,在不同的激励方式,强度和方向上,其动力特性各不相同.纤绳还可能会出现参数振动,横风弛振(Across-Windgalloping),甚至混沌等现象.高耸结构的设计除了满足整体或构件在上述荷载作用下的强度,刚度,稳定性外,还要考虑微风,横风共振下结构的疲劳;有塔楼的高耸结构,还要满足人体的舒适度要求(加速度不大于 15ga1)
10、.解决这些问题的有效方法就是对高耸结构进行必要的控制.1 高耸结构振动控制的基本原理1.1 主动控制的优化理论目标函数:J=EI(QsQ+FRF)d.其中,Q为结构响应向量;F 为控制力向量;s,R分别为考虑结构安全和经济性(控制)的加权阵.当 J 一- 厂时,便实现对结构的最优控制.按上式计算工作量很大,常采用简化手段以接近实际应用.1.2 被动控制的频域分析理论该理论可分别针对各振型进行,一般只考虑影响较大的第一振型.H 丁()为含 TMD(TunedMassDamper)体系对某一振型的频响函数,()为不含 TMD 体系的频响函数 ,分别考察它们对系统响应的影响量:IfH(叫)f5l,(
11、)d.oo式中:S,()系统激励的功率谱密度函数.两者相比较,可将 TMD 影响视为增加系统之阻尼而得到与TMD 各参数有关的等效阻尼表达.等效阻尼除了与 TMD 各参数有关外,还与 TMD 在结构中的位置有关(通过振型表达).通过 TMD 参数的调整,来影响等效阻尼,从而减小结构的响应 .1.3 被动控制的准优化理论利用优化理论进行被动控制装置的参数设计的理论.有最小误差激励法,最小范数法和等效最优控制特性法等,为被动控制奠定了理论基础.2 高耸结构振动控制的主要方法2.1 被动控制最早在工程上得到应用的被动控制方法是 TMD 方法 .这个思想起源于 1909 年 Frahm 研究的动力吸振
12、器,并率先在机械的谐激励吸振系统中得到应用.后来被结构工程所采用并扩展到随饥激励系统.由其演化而来方法还有 1lJ)(TunedLiquidDwer),TLCD(TunedLiquidColumnDamper),TSD(TunedSpringDamper)以及出于效率和稳定性考虑的 MI1,(MultipleTunedMassDamper)等.TMD 方法利用质量块的惯性力提供结构的减振力 .当TMD 频率达到结构某一重要频率(常为第一频率)时 ,TMD 可通过自身振动吸收大量的动能,使结构相应频率的振动减小.一般M 越大,减振效果愈好,但实用中 TMD 质量有限制,与主体质量比为 0.5%-
13、2%.TMD 往往针对结构某一频率进行设计.但对于高耸结构 ,其高阶振型也相对重要的情形下,TMD 控制效果就有限 .对高耸结构而言,由于空间限制,TMD 往往难于安装 ,而且也有工作位移过大的问题.有学者提出斜拉弹簧质量阻尼装置,即 TSD.它是由立方体顶点抽出的 8 根弹簧阻尼并联线交汇于立方体中心的灌铅空心球铰而形成的减振装置.球铰受吊绳悬拉,使弹簧无初位移.它具有多向制振,质量轻,装置简便,占用空间小,布设位置灵活等特点,较 TMD 更适宜于高耸结构控制 .2.2 主动控制被动 TMD 系统存在着控制振型单一,振型敏感,等效阻尼比有限(不大于 4%)等缺点.为了改善 TMD 系统的性能
14、,Chang 和Soong(1980)以及 Hrovat,etal(1983)提出了主动 TMD 控制系统.由 TMD 发展而来的主动控制系统有两种:混合质量阻尼器(HybridMassDamper,HMD)和主动质量阻尼(驱动)(ActiveMassDamperorActiveMassDriver,AMD).HMD 有如下特点:1)由于 TMD 按不存在作动器而设计,当主动控制作动器失效或停止工作时,TMD 可以发挥其被动控制的作用,即 HMD 具有相当的可靠性;2)当激励较大时,作动器启动开始工作,HMD 相当于有弹簧和阻尼器的 AMD 系统.它较TMD 有更好的控制效果和更高的控制鲁棒性
15、;当激励较小时,HMD 切换至 TMD,从而节省能源并延长主控作动器的使用寿命.这对间歇性上人的高耸结构也有调节作用.HMD 和 AMD 在作动器工作状态下,两者达到相同效果时,最大主动控制力基本相同.但比纯主动的 ABS 和 ATS 系统最大控制力小的多.由于 HMD 和 AMD 作动器少,控力小,效果和鲁棒性好等优点,在高耸结构风振和地震反应控制以及大型桥梁结构建设期间的桥塔风振控制中应用取得成功.如中美合作 2001年实现南京电视塔风振控制的 AMD 系统.2.3 半主动控制半主动控制的原理与结构主动控制基本相同,作动器只需要较主动控制更少的能量来调节结构的振动参数,以利用结构往复相对变
16、形或相对速度,尽可能地实现主动最优控力.代表性的半主动装置有主动变刚度系统(ActiveVariableStiffnessSystem,AVs)和主动变阻尼系统(ActiveVariableDamper,AVD).理论和实验都表明,结构主动变阻尼系统(包括智能阻尼系统,如磁流变阻尼控制系统,电流变阻尼控制系统等)的控制效果基本接近主动控制的效果.而且由于半主动控制(或智能阻尼控制)需被动地利用结构往复相对变形和相对速度才能产生控力,一般是阻止结构运动或变形增大,因而具有很好的控制鲁棒性和绝对的控制稳定性.半主动控制作动器和智能阻尼器的研究和发展基本上结束了长期争论的结构主动控制的能源和系统可靠
17、性问题.其相关技术的发展,必将给高耸结构的振动控制带来根本性的影响.3 高耸结构振动控制的手段和装置安装于高耸结构上的振动控制装置必须考虑以下特点:首先,结构横向尺寸狭小,控振装置安装空间受限;其次 ,必须具有各向制振能力;最后,须考虑多振型影响,一般采用某一装置控制某一振型的多装置组合方法.多装置宜考虑相互影响,以免出现增振作用.除挤压阻尼器(CompressionDissipator),摩擦阻尼器(FrictionDamper),粘弹性阻尼器 (ViscoelasticDissipator)等各种独立耗能器外,拉索是高耸结构,特别是高度非线性的桅式结构的主要控制装置.拉索的设置增加了结构的
18、刚度,频率(离远脉动风频率),从而减小结构的风振反应.一般采用一道或多道不同方向的斜拉索来控制结构的位移,但需施预拉力,以保证各拉索同时起作用.索初拉力需合理确定.拉力较大时,纤绳等效弹簧刚度较大,/第 33 卷第 10 期?136?2007 年 4 月山西建筑SHANXIARCHITECTUREV0J.33No.10Aor.2007?岩土工程?地基基础 ?文章编号:100968252007)10013602广州市剑岭村岩溶塌陷机理分析黄于新摘要:通过对地质环境条件及岩溶地面塌陷特征分析 ,从地质构造的发育特征,岩溶裂隙水和松散岩类孔隙水的运移特征,物探解译,钻探验证等方面讨论了岩溶地面塌陷的
19、机制及其主要影响因素,为岩溶地区的地质研究提供了理论基础.关键词:构造裂隙,越流补给,岩溶地面,塌陷机理中图分类号:TU457 文献标识码:A1 岩溶地面塌陷发育特征2005 年 8 月,剑岭村出现第一个半径约 3m,深约 2m 的近圆形塌陷坑,至 2006 年 6 月,断续发生串珠状及单体塌陷坑 30余处,以 2006 年 6 月为最多.剑岭村南侧塌陷坑较集中,沿北,北东向发育;剑岭村北侧 ,水渠西侧,塌陷坑沿北东方向呈线状集中发育;剑岭村南侧 ,赖屋村东侧,张屋,砚子岗等地塌陷呈零星分布.岩溶塌陷发生时间与降雨关系密切,多集中在强降雨或久无降雨后突降暴雨时段.地点多集中在剑岭村附近,沿北东
20、向线状分布.单体塌陷坑多呈圆形或椭圆形,个别呈方形,最大直径超过 10m,多为 3m6m.2 地质构造特征研究区属广花凹陷盆地区,为广花复式向斜的一部分,表现为北北东,北东向褶皱,断裂等,构造形迹相对复杂.研究区地处由石炭系孟公坳组砂页岩组成的向斜核部的坡洪积平原.平原内地层岩性从上而下依次为第四系坡洪积粘性土及砂砾石,石炭系测水组砂页岩,石炭系石磴子组灰岩.研究区内 4 条主要断层多呈北北东向展布.n 断层位于调查区西部,由孟公坳组地层构成的丘陵区的山脊东侧.长约2.9km,走向 35.,倾向东南,倾角 70.断层位于剑岭村中部,呈北北东向穿过点状出露的灰岩,推测该断层倾向为西北,挤压破碎严
21、重,在剑岭村中部形成北北东向的断裂破碎带,上下盘均为灰岩,由于挤压错断,在上盘即断层西侧形成小型向斜,而下盘形成小型背斜,在下盘的背斜处由于脆性破坏而导致岩体较破碎,且上覆盖层较薄;上盘向斜处为有侧限挤压,相对于背斜处岩体破碎程度较差,且上覆盖层相对较厚.由此推测,断层东侧地段为易引发岩溶塌陷地段,而西侧为相对不易引发岩溶塌陷地段.断层位于调查区东侧,呈北东向切割了石磴子组与测水组地层.倾向东南,倾角 70.F4 断层位于断层的东侧 ,呈北东向切割了测水组与孟公坳组地层,倾向西北,倾角 75.3 水文地质条件3.1 第四系松散岩类孔隙水桅杆变形小,有利于抗风;但过大时,杆身纵向压力大 ,会降低
22、桅杆的安全度(整体稳定性).只要将悬挂减振器的频率调整到低于纤绳振频时,相当一部分纤绳振动能量会被减震器吸收,并以热的形式逸散,从而达到减振的目的.比较成熟的具有类似 TMD 作用的 Stockbridge 阻尼器,一般设置在纤绳的较下端,会有明显的减振效果.设置辅助纤绳的控制效率和效果都是令人满意的.由于主绳的拉力变化对辅绳拉力十分敏感,特别当两者正交时最敏感,因而可用较小的辅助拉力实现对主纤绳的有效控制.桅式结构杆身为圆截面时,为避免风载下旋涡脱落而产生横风共振,一般在圆柱体表面安装一些气动干扰器,以打乱涡流脱落规律.该做法也有增大顺风阻力,裹冰时丧失干扰力等不利情形,设计时宜权衡考虑.参
23、考文献:1王肇民.高耸结构振动控制M.上海:同济大学出版社,1987.2欧进萍.结构振动控制 主动,半主动和智能控制M.北京:科学出版社,2003.3彭刚,张国栋 .土木工程结构振动控制M.武汉:武汉理工大学出版社,2002.4(PassiveEnergyDissipationSysteminStructureEngineering)/(美)T.T.Sxong.结构工程中的被动消能系统M.董平 ,译.北京:科学出版社,2005.5张相庭.结构风压和风振计算M.上海:同济大学出版社,1985.6高燕,阎石 ,周光宇.智能材料与土木工程结构振动控制J.山西建筑,2005,31(20):56 57.
24、VibrationcontrolofskyscrapingstructureLIUYongSUNJi-junAbstract:Thefollowingpaperintroducesthebasicprinciple0fvibrationcontrolofskyscrapingstructure,illustmtesthreemainvibrationcontrolmethodsaspassivecontrol,activecontrolandsemi-activecontrol,anddiSCUsstheinstrumentanddeviceofvibrationcontrolofskyscrapingstructure,inordertoeflsurethesecurityofbuildingswithskyserapingstructure.Keywords:skyscrapingstmcture,vibrationcontrol,controlmethod,controldevice收稿日期:20061211作者简介:黄于新(1968.), 男 ,吉林大学建设工程学院硕士研究生,高级工程师,广州市地质调查院,广东广州 510440
