青岛理工大学 山东青岛 266000
摘要:在现代建筑中,很多情况下建筑结构相邻布置:由防震缝分成的2部分,主体建筑与周围附属裙房及相距很近的建筑群等。这时,如果采取适当的方式将各部分连成一体,通过优化结构的控制参数,就可以利用结构自身的振动抑制或减小其相邻结构的振动,达到相互控制的目的。而且,在用作动器对结构施加主动控制力时,由于相邻结构的存在,作动器的位置可以更加灵活,从而提高主动控制力的控制效果。
关键词:组合隔震结构;振动控制;控制效果
1 组合隔震体系运动方程的建立
采用经典线性最优控制(LQR),引入线性二次型最优性能指标
2 算例及分析
一相邻结构,主楼9层,裙楼3层。主楼为基础隔震结构,采用叠层橡胶支座隔震层,上部结构质量=…==500t,水平刚度=…==1.7×106kN/m,阻尼为瑞利阻尼,阻尼系数ξ1=0.05;隔震层质量mb=2.5×103t,水平刚度kb=4.7×104kN/m,隔震层阻尼比ξ2=0.20.裙楼结构质量===3.2×103t,水平刚度===1.2×106kN/m,阻尼同主楼。在第3层顶安装控制设备连接主楼和裙楼,地震最大加速度amax=4m/s2。以上参数,如有特别说明时除外。
2.1 组合隔震结构的控制效果研究
为研究组合隔震结构主动控制的效果,分别计算出不隔震不控制、只隔震不控制、只控制不隔震及又隔震又控制四种情况的时程曲线如图。从图1和图2可以看出,当只采用隔震措施时,结构的加速度响应显著减小,但其位移响应却有明显增加,其响应峰值比不隔不控时增加25%左右,而加速度响应峰值仅为不隔不控时的1/4左右;当既隔又控时,其加速度响应峰值比只隔不控时减小1/3左右,更重要的是,其绝对位移峰值仅为只隔不控时的35%左右。从图3可以看出,只隔不控与既控又隔的层间位移都有显著减小,与不隔不控相比,要小得多,几乎可以认为是刚体平动。这说明,在组合隔震体系中,隔震措施对减小地震力响应及层间位移响应效果非常明显,但同时使结构绝对位移响应增大;而主动控制,不但可以减小结构的地震力响应,同时,可以极大地抑制结构的绝对位移响应。当两者不同时采用时,可以充分发挥各自的优势。图4为达到相同的减震效果时,只控不隔与既控又隔时各自需要的控制力时程曲线图,很明显,既控又隔所需外部控制力比只控不隔时小得多,这大大增加了主动控制的施控可行性。
2.2 裙楼刚度和质量对组合隔震结构控制效果的影响
由于组合隔震结构中裙楼和主楼通过控制力连接,使之共同振动,因此,研究裙楼的刚度和质量对整个组合结构振动的影响意义重大。研究时,为表示方便,引入了影响因子、刚度比例因子和质量比例因子。刚度采用8×107α,α(大于1)为刚度比例因子;质量采用1×105β,β(大于1)为质量比例因子。各响应及控制力的峰值分别与α、β为1时的响应与控制力峰值之比为影响因子。图5和图6分别为主楼顶层响应峰值及控制力峰值(影响因子)随裙楼刚度和质量(比例因子)变化图。从图5可以看出,随着裙楼刚度的增大,主楼的绝对位移、层间位移、加速度及最优控制力均减小,而以层间位移减小最为明显;从图6可以看出,除层间位移外,主楼响应及最优控制力随裙楼质量增大而增大,但增大的幅度较小。这说明,增大裙楼的刚度,有利于组合隔震结构的振动控制,而裙楼的质量对组合隔震结构的振动主动控制影响不大。
2.3 隔震度的影响
其它条件不变时,主楼顶层地震响应(均方根)及结构控制力(均方根)随隔震度的变化如图7。由图7可见,隔震度越大,位移响应越大,而加速度响应越小;控制力大小与主楼的隔震度有关,当隔震度为1.5~2.5时,所需控制力最小。当然,控制力的大小还与裙楼的动力特性有关,因为随着隔震度增大,所需抑制的结构位移增大。说明在组合隔震体系中,主楼的隔震度对结构的振动控制有重要影响,但并非隔震度越高越有利于结构的振动控制,应通过控制权函数确定地震响应和控制力之间的关系。
3 结论
根据以上计算与分析,可以得到如下结论:1)通过优化控制参数,组合隔震结构振动控制体系能有效抑制结构的振动。2)裙楼的刚度对组合隔震结构的控制效果有重要影响,刚度越大,控制效果越好,所需控制能量越小;但裙楼的质量对它的振动控制影响不大。3)组合隔震体系的隔震度越高,控制效果越好。
参考文献
[1]结构设计中减震与隔震方案设计[J].郭士刚.山西建筑.2017(23)
[2]建筑结构的隔震、减振和振动控制分析[J].孔源.建筑知识.2017(15)
论文作者:姜晗1,张纪刚2(通讯作者)
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第26期
论文发表时间:2018/1/30
标签:结构论文; 组合论文; 控制力论文; 刚度论文; 位移论文; 主楼论文; 峰值论文; 《建筑学研究前沿》2017年第26期论文;