韋融波 李銘書(shū) 彭蘇丹 龐 蓉 孫素平

(北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

0 引言

我國(guó)屬于地震多發(fā)國(guó)，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，地震設(shè)防烈度在6度及以上地區(qū)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，而地震基本烈度6度以上地區(qū)面積占全國(guó)國(guó)土面積約59%以上。地震作用的發(fā)生無(wú)法預(yù)測(cè)且具有很強(qiáng)的破壞性，地震災(zāi)害往往會(huì)造成很大的人員傷亡和社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于多層辦公樓、宿舍樓、教學(xué)樓以及多層工業(yè)廠(chǎng)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(duì)框架結(jié)構(gòu)展開(kāi)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(shè)計(jì)方法，即通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度來(lái)“抗”震。這種方法明確，易于實(shí)現(xiàn)，因此被國(guó)內(nèi)外許多的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)所采用。另一種方法是振動(dòng)控制方法，是一種對(duì)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(kāi)始使用振動(dòng)控制思想，得到了極為廣泛和深入的研究與試驗(yàn)驗(yàn)證，各種減震裝置不斷的被研發(fā)并應(yīng)用。在近幾十年的時(shí)間里，很多工程實(shí)例都采用了振動(dòng)控制，使得其已經(jīng)成為一種新的結(jié)構(gòu)防震減災(zāi)方法。

調(diào)諧液體阻尼器(Tuned Liquid Damper,TLD)，是一種結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制裝置，它是利用在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置一固定水箱，在地震作用下，固定水箱中液體在晃蕩過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)側(cè)壓力，以此來(lái)提供減振力的一種裝置。TLD造價(jià)低、安裝簡(jiǎn)單、易維護(hù)[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(yīng)用前景。本文以一6層鋼架作為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)對(duì)有TLD及無(wú)TLD的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，探討了TLD系統(tǒng)在該種結(jié)構(gòu)中的減振作用。

1 TLD對(duì)框架結(jié)構(gòu)的減振原理

調(diào)諧液體阻尼器(Tuned Liquid Damper簡(jiǎn)稱(chēng)TLD)屬于一種結(jié)構(gòu)控制中的被動(dòng)控制，減振機(jī)理是：當(dāng)在結(jié)構(gòu)頂部安裝TLD時(shí)，結(jié)構(gòu)在受到地震作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，從而帶動(dòng)水箱一起發(fā)生晃動(dòng)并激起水箱中液體的晃動(dòng)。液體晃動(dòng)過(guò)程中碰撞水箱側(cè)壁，產(chǎn)生動(dòng)水壓力并作用在結(jié)構(gòu)上，這種液體和波浪對(duì)箱壁的動(dòng)壓力差便成為對(duì)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(yùn)動(dòng)加速度;

FTLD——TLD的控制力。

2 試驗(yàn)裝置與方法

本文分析試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橐?層鋼框架結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)設(shè)備為WS-5931Z/U160216-DA2型振動(dòng)臺(tái)控制和信號(hào)采集儀，如圖1所示。該系統(tǒng)由振動(dòng)臺(tái)、電磁式激振器、功率放大器、振動(dòng)臺(tái)控制傳感器、振動(dòng)臺(tái)控制儀組成，最大加速度為±2g，可實(shí)現(xiàn)正弦波、地震波的信號(hào)輸出。在試驗(yàn)時(shí)，每層板上均安裝加速度傳感器，以獲取試驗(yàn)過(guò)程中每一層的加速度響應(yīng)。對(duì)有無(wú)TLD的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行頻譜試驗(yàn)和地震模擬試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)振型測(cè)試

首先，對(duì)結(jié)構(gòu)模型在設(shè)置TLD前后進(jìn)行振型測(cè)試，得到有無(wú)TLD結(jié)構(gòu)的前三階頻率和振型，將頻率對(duì)比圖繪制于圖2中。由圖2可見(jiàn)，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(huì)有所增大，所以使得頻率有所減小。有無(wú)TLD對(duì)結(jié)構(gòu)的振型影響并不大，前兩階振型均以平動(dòng)為主，第三階開(kāi)始出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。

3.2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，地震波選擇汶川波，將汶川波輸入到振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行地震模擬試驗(yàn)。通過(guò)每層板上安裝的加速度傳感器，測(cè)得有無(wú)水箱結(jié)構(gòu)的每層加速度時(shí)程響應(yīng)，選取頂層加速度時(shí)程響應(yīng)繪制于圖3中。由圖3可見(jiàn)，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(yīng)明顯降低，降低幅度為51.93%。

為了進(jìn)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次減震試驗(yàn)，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(jiàn)，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(shí)減震效果最好，增加鐵絲網(wǎng)后，由于剛度不夠，因此并沒(méi)有明顯的減震效果。

4 結(jié)論分析

本文進(jìn)行調(diào)諧液體阻尼器對(duì)一6層鋼框架結(jié)構(gòu)減震性能試驗(yàn)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(huì)略有降低。

2)地震作用下，TLD對(duì)框架結(jié)構(gòu)頂層的加速度響應(yīng)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。