NES在結(jié)構(gòu)抗震中的應(yīng)用與探討★

楊海旭 董 塵

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

NES在結(jié)構(gòu)抗震中的應(yīng)用與探討★

楊海旭 董 塵

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

介紹了非線性能量阱(NES)的原理，主要對NES在基礎(chǔ)隔震及層間減震中的應(yīng)用技術(shù)進行了研究，指出NES是一種新型的非線性吸振器，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、工程造價低等特點，應(yīng)用前景廣闊。

NES，非線性吸振器，抗震，結(jié)構(gòu)

0 引言

近些年國內(nèi)外發(fā)生破壞性較大的地震災(zāi)害已屢見不鮮，這嚴重威脅著我們?nèi)祟愘囈詾樯慕ㄖ锛皹?gòu)筑物，如何提高其抗震安全性來滿足我們的要求顯得尤為重要[1]。在傳統(tǒng)的抗震方法中，地震能量的消耗往往都是通過主體結(jié)構(gòu)本身的非彈性狀態(tài)來消耗的。由于設(shè)計烈度的欠準確性和結(jié)構(gòu)非彈性破壞機理的復(fù)雜性，導致傳統(tǒng)抗震方法的不安全及應(yīng)用的局限性[2]。因此,新型抗震技術(shù)的應(yīng)用和推廣成為了十分重要的發(fā)展方向。

結(jié)構(gòu)被動減震控制是指在結(jié)構(gòu)的某個部位，安裝特定參數(shù)的裝置，如橡膠隔震支座、各種耗能器、質(zhì)量調(diào)諧裝置等，用來“阻隔”地震波向上部結(jié)構(gòu)傳播，改變結(jié)構(gòu)體系的動力特性，或消耗輸入結(jié)構(gòu)內(nèi)的地震能量，從而達到減震的目的[2]。被動控制系統(tǒng)不需要外部能量輸入，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于維護，其中大部分是基于工程現(xiàn)場的一般特性來確定控制裝置的參數(shù)。

1 NES的原理與研究

NES是一種可實現(xiàn)靶能量傳遞(Targeted Energy Transfer，TET)的振動被動抑制裝置，從2001年靶能量傳遞現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，一些學者陸續(xù)對NES進行了大量的研究[4]。NES與傳統(tǒng)的減振裝置相比，是由傳統(tǒng)的動力吸振器中引入非線性發(fā)展而來的新型減振裝置，近幾年來，由動力吸振器演變而來具有自身獨特優(yōu)點的振動抑制方法。NES指的是一種振動被動抑制裝置，裝置中的附加質(zhì)量塊通過強非線性剛度以及粘性阻尼連接于主結(jié)構(gòu)。通常情況下，NES中的附加質(zhì)量塊相對于主結(jié)構(gòu)是非常小的，但由于強非線性剛度，使得原有系統(tǒng)的力學性能發(fā)生了非常顯著的改變，從而使振動能量通過靶能量傳遞的方式迅速聚集在NES振子中，并通過阻尼在NES振子中消散。

如圖1所示，是單自由度NES連接主結(jié)構(gòu)實現(xiàn)靶能量傳遞的示意圖，主結(jié)構(gòu)部分可以是線性或非線性的，在各種外界激勵下(如脈沖激勵、正弦激勵、隨機激勵等)，主結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的振動，振動能量通過強非線性剛度k1傳遞至NES并通過阻尼c1耗散實現(xiàn)振動能量的衰減。在整個耗散過程中，只有一小部分的振動能量會返回到主體結(jié)構(gòu)。

2 NES在結(jié)構(gòu)抗震中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)控制中的隔震是建筑物抵御地震的有效措施，理論和實踐均表明與非隔震結(jié)構(gòu)相比良好設(shè)計下的隔震結(jié)構(gòu)會降低1度～2度的設(shè)防烈度[5]，并且設(shè)置有隔震裝置的建筑物空間布置更靈活，更符合現(xiàn)代建筑的設(shè)計思想，在強震作用下能夠保護建筑物及其內(nèi)部設(shè)備的安全，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

動力吸振器在工程領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用，這都歸功于動力吸振器在振動的被動抑制方面，具有自己獨特的優(yōu)勢，而且這種振動抑制設(shè)備簡單易用。但是動力吸振器也有很大的局限性，因為它通常只在一個特定的頻率附近有效。直到20世紀中期，Roberson在動力吸振器中加入了非線性剛度，增加動力吸振器的吸振帶寬，使得動力吸振器的吸震性能得到了顯著的提升。自此，學者們開始關(guān)注非線性動力吸振器。工程中，由于非線性現(xiàn)象非常的復(fù)雜變得非常難以分析，常常被視為是有害的，但是隨著對非線性現(xiàn)象認識的增加，很多學者開始熱衷于利用豐富和復(fù)雜的非線性現(xiàn)象進行吸振器的分析和設(shè)計[4]。

2.1 NES在基礎(chǔ)隔震中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的摩擦擺只能吸收頻率在一定范圍內(nèi)的地震波，研究人員雖對其進行多方面的改進，但始終未能克服其在近斷層伴有長周期脈沖型地震波(具有強方向性、包含有明顯的長周期速度和位移脈沖較大的峰值加速度等特征)作用下發(fā)生低頻共振的缺陷。我們將傳統(tǒng)的摩擦擺隔震支座進行優(yōu)化升級，把摩擦擺和NES有機的結(jié)合起來，組成復(fù)合式摩擦擺，并將其應(yīng)用于抗震減災(zāi)隔震設(shè)計中，這樣能夠盡可能多和盡可能快地減弱由地震賦予結(jié)構(gòu)的沖擊能量的負載和誘發(fā)的振動，衰減消耗不同方向的地震能，抑制長周期地震波的影響，減小地震產(chǎn)生的加速度及位移等。

將摩擦擺支座和NES進行合理組合如圖2所示，該系統(tǒng)設(shè)計包括1個滑動凹面、1個獨立的摩擦擺機制、1個滑動關(guān)節(jié)。通過選擇球面曲率和每個滑動凹面的摩擦系數(shù)即可依據(jù)大震和設(shè)計地震反應(yīng)來設(shè)置擺動的階段及周期?；瑒用嬷?，在某一臨界位移范圍內(nèi)設(shè)置固定的曲率半徑，當支座的位移大于臨界位移時，滑動面就成了一個傾斜的平面，隔震周期即變成無限大，亦即不存在共振周期。

2.2 NES在層間減震中的應(yīng)用

層間隔震技術(shù)是一種新型隔震結(jié)構(gòu)形式，是在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的工程實踐中發(fā)展的，是對基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的一種拓展?；A(chǔ)隔震的隔離層只能布置在結(jié)構(gòu)的底部，層間隔震的隔震層的設(shè)置可以根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特點，靈活布置，突破了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的隔震層只能布置在結(jié)構(gòu)底層的限制，更便于滿足施工和使用的要求。它開辟了一個隔離技術(shù)應(yīng)用的新途徑。將NES吸振器布置于結(jié)構(gòu)的層間，當?shù)卣鸢l(fā)生時，由于NES吸振器的靶能量傳遞特性，地震產(chǎn)生的能量不可逆的由結(jié)構(gòu)傳入NES吸振器中，由于NES的非線性，能量在沒有特定的頻率的NES振子間劇烈傳遞，它可以產(chǎn)生很多有限個非線性共振頻率，通過自身阻尼調(diào)節(jié)，耗散地震能量，從而保護主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全。

3 結(jié)語

NES作為一種新型的非線性吸振器，其研究歷史僅僅只有十幾年，但由于其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，并且有良好的振動抑制效果，通過降低主體結(jié)構(gòu)的抗震措施的方法降低工程造價，從而降低地震損失。在學者的研究中，進一步的了解NES的振動原理，從而使NES能夠更有效的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中，減少地震作用對結(jié)構(gòu)的破壞，NES在結(jié)構(gòu)抗震中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 胡聿賢.地震工程學[M].北京:地震出版社,1988.

[2] 劉文峰.結(jié)構(gòu)控制技術(shù)及最新進展(上)[J].世界地震工程,1997(4):36-40.

[3] 王興國,張 松,蘇幼坡.單層FPS隔震結(jié)構(gòu)的平移—扭轉(zhuǎn)耦合性能分析[J].地震工程與工程振動,2006,26(3)：19-20.

[4] 張也弛,孔憲仁.非線性耦合振子間產(chǎn)生靶能量傳遞的初始條件[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2012,44(7):21-28.

[5] 鄧雪松,龔 健,周 云.變曲率摩擦擺隔震支座理論分析與數(shù)值模擬[J].土木建筑與環(huán)境工程,2011,33(1):50-59.

Application and discussion of NES in the structure seismic resistance★

Yang Haixu Dong Chen

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The paper introduces NES principles, mainly studies the application technology of NES in base-isolation and interlayer seismic isolation, and points out that: NES is a kind of new nonlinear vibration absorber, which is simple in structure, high in reliability, and low in engineering cost. Therefore, it has wide application prospect.

NES, nonlinear vibration absorber, seismic resistance, structure

2015-08-22★:黑龍江省自然科學基金(項目編號：E2015057)

楊海旭(1973- )，女，博士，副教授； 董 塵(1991- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)31-0030-02

TU352.11

A