調(diào)諧液體阻尼器對框架結(jié)構(gòu)減震性能試驗研究★

韋融波 李銘書 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

我國屬于地震多發(fā)國，《建筑抗震設(shè)計規(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，而地震基本烈度6度以上地區(qū)面積占全國國土面積約59%以上。地震作用的發(fā)生無法預(yù)測且具有很強(qiáng)的破壞性，地震災(zāi)害往往會造成很大的人員傷亡和社會經(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。框架結(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，因此對框架結(jié)構(gòu)展開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)計方法，即通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度來“抗”震。這種方法明確，易于實現(xiàn)，因此被國內(nèi)外許多的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)所采用。另一種方法是振動控制方法，是一種對結(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)域開始使用振動控制思想，得到了極為廣泛和深入的研究與試驗驗證，各種減震裝置不斷的被研發(fā)并應(yīng)用。在近幾十年的時間里，很多工程實例都采用了振動控制，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程中會產(chǎn)生動側(cè)壓力，以此來提供減振力的一種裝置。TLD造價低、安裝簡單、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層鋼架作為試驗對象，通過對有TLD及無TLD的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行振動臺試驗，探討了TLD系統(tǒng)在該種結(jié)構(gòu)中的減振作用。

1 TLD對框架結(jié)構(gòu)的減振原理

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

FTLD——TLD的控制力。

2 試驗裝置與方法

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

3 試驗結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)振型測試

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

3.2 振動臺試驗

在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動臺試驗時，地震波選擇汶川波，將汶川波輸入到振動臺進(jìn)行地震模擬試驗。通過每層板上安裝的加速度傳感器，測得有無水箱結(jié)構(gòu)的每層加速度時程響應(yīng)，選取頂層加速度時程響應(yīng)繪制于圖3中。由圖3可見，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)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次減震試驗，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，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時減震效果最好，增加鐵絲網(wǎng)后，由于剛度不夠，因此并沒有明顯的減震效果。

4 結(jié)論分析

本文進(jìn)行調(diào)諧液體阻尼器對一6層鋼框架結(jié)構(gòu)減震性能試驗研究，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)頻率會略有降低。

2)地震作用下，TLD對框架結(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。