建筑结构的被动控制研讨

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1.被动控制系统的分类

被动调谐技术主要包括被动调频质量阻尼器（TMD）、调频液体阻尼器（TLD）、液压质量振动控制系统(HMS)和悬吊质量子系统等。这类技术的共同点都是使地震输入结构的能量部分转移到附加的子系统上，从而达到减小主体结构振动响应的目的。

2．被动控制中典型装置及其工程应用

2.1耗能器控制（DissipatorsControl）

（1）铅挤压耗能器（LeadCompressionDissipator）

它是由外筒、可动轴和铅组成。由于铅是一种结晶金属，当发生塑性变形时，其晶格被拉长并错动，此时一部分能量将转化为热量；另一部分能量为促进再结晶而消耗，使金属返回非变状态。铅挤压阻尼器已被广泛应用于基础隔震中的阻尼器和多层建筑中的耗能器。新西兰的几座桥梁的隔震中应用了铅挤压阻尼器；在日本，铅挤压阻尼器被用于一幢17层的钢框架结构中。

（2）摩擦耗能支撑（Friction-DampedBracedFrame）

摩擦耗能装置是可滑动而改变形状的机构。该装置按正常使用荷载及小震作用下不发生滑动设计；在强风或强震作用下，其主要构件尚未屈服时装置滑移，以摩擦功耗能，并改变了结构的动力特性，达到减振目的。

2.2被动调频质量阻尼器（PassiveTunedMassDamper，简称PTMD或TMD）

被动TMD主要是增加质量，降低结构自振频率，增大阻尼，降低结构的振动反应。它可以从根本上消除鞭梢效应。对结构的地震反应来说，质量阻尼器能有效地控制结构高振型的影响，减小结构基底剪力。对结构风振反应来说，质量阻尼器能有效地减小结构顶部的加速度反应。调频质量阻尼器的具体应用，已有不少实例，如1971年建于澳大利亚的悉尼电视塔，它的底座为多层钢筋混凝土大楼，都安装了调频质量阻尼器。此外，调频质量阻尼器在大跨结构中也有不少应用。

2.3调频液体阻尼器（TunedLiquidDamper，简称TLD）

自70年代初有人提出用TMD来增加结构的阻尼，吸收结构的振动能量以来，TMD（主动或被动）已被日本、美国、澳大利亚等国用于实际工程中。然而TMD也存在一些问题，如：对微小振动灵敏度不高；维持它运作的费用较高等等。1987年Sato等人提出了一种新型的被动控制装置，调制液体阻尼器（简称TLD）。当结构在外界干扰时盛在容器中的液体产生晃动并引起波浪。这种水和波浪对容器的动压力差就构成了对建筑物的减振力。调频液体阻尼器在日本有广泛的应用，最著名的是日本长崎机场指挥塔和日本横滨导航塔。

2.4斜挂弹簧质量阻尼器（TunedSpringDamper，简称TSD）

高耸结构，特别是钢结构电视塔这样一种高柔结构物，在脉动风作用下，动力响应非常显著，如果不对它实施控制，基本上时无法正常使用的。一般研究和应用得较多的控制装置是TMD，可是TMD的质量块较重，占用空间较大，一般很难安装在电视塔天线段上。根据TMD的控制原理，提出了调频弹簧阻尼器（简称TSD），它是由TMD演化而来的，而与TMD又不完全相同。TSD具有以下优点：

（1）它能控制多方向的振动。

（2）质量块较轻，不会影响结构本身的动力特性。

（3）装置简单，安装方便，不需要附属设备。

（4）占用空间小，可直接装在天线段，从而控制点与结构振型最大点重合，这是TMD所不能达到的。目前，关于TSD仍还有许多问题尚待研究。

2.5其他被动控制

例如用局部减振回转仪来稳定悬索桥的扭转振动。图4若去掉控制器，仅在框架上安装预应力斜支承，称为被动锚索控制。

3.动控制的局限性结构被动控制有一定的局限性。对于隔震技术：

（1）在类场地土上采用隔震体系是不安全的，长周期地震动将给隔震建筑带来不利影响；

（2）隔震技术只能应用于高度较低、高宽比较大的结构物；

（3）隔震不能进行建筑结构的风振控制。消能减振技术是将地震输入结构的能量引向特别设置的机构或元件加以吸收和耗散，这比传统的依靠主体结构本身及其节点延性耗散地震能量相比显然更加合理。但消能元件往往是主体结构的一个组成部分并不能完全避免主体结构出现塑性变形因而无法克服“延性结构”设计的缺陷。

作者：罗敏单位：广州城建开发设计院有限公司