基于小型振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)的輸電塔結(jié)構(gòu)減隔震研究

王 浩

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)興建了許多輸電塔類型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)周期特性，在水平荷載作用下易發(fā)生大變形，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生危害。而傳統(tǒng)減震方法主要考慮結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，弊端較多。研究表明：采用結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)可有效減小輸電塔受到的地震作用，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，意義重大。目前結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法有基礎(chǔ)隔震和阻尼器減震等。其中，基礎(chǔ)隔震和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減震在高聳結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)中應(yīng)用最廣泛[1]。

基礎(chǔ)隔震措施是指在基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)底部之間安裝隔震設(shè)備，限制能量從基礎(chǔ)傳至上部結(jié)構(gòu)。其原理是改變結(jié)構(gòu)的基本周期，避開(kāi)地震作用下地面運(yùn)動(dòng)的卓越周期，達(dá)到減小地震作用對(duì)上部結(jié)構(gòu)影響的目的[2]。我國(guó)隔震技術(shù)發(fā)展已經(jīng)很成熟，在高層建筑、公路、橋梁等方面得到廣泛應(yīng)用。

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TUNED MASS DAMPER,TMD），又稱動(dòng)力吸振器，是結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制措施的一種。主要用于抗風(fēng)和人體舒適性，由主結(jié)構(gòu)和附加其上的子結(jié)構(gòu)（TMD）組成，其中子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量系統(tǒng)、剛度系統(tǒng)和阻尼系統(tǒng)等，具有質(zhì)量、剛度、阻尼的綜合特性。目前，TMD 系統(tǒng)在我國(guó)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，如臺(tái)北101 大廈等。但阻尼器在設(shè)計(jì)方面仍存在不足，如：TMD系統(tǒng)會(huì)增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量，進(jìn)而擴(kuò)大地震作用[3]；TMD安裝位置受限；僅對(duì)結(jié)構(gòu)某幾階振型有效。這些不足在一定程度上限制了TMD 的應(yīng)用和發(fā)展。

在地震和強(qiáng)風(fēng)作用下，輸電塔可能發(fā)生塔體傾斜、傾覆，構(gòu)件破壞等，而當(dāng)前輸電塔的減震控制方法主要是非線性錘擺吸振器、環(huán)形調(diào)節(jié)質(zhì)量阻尼器等，這些方法主要是風(fēng)振控制，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震方面研究較少。根據(jù)當(dāng)前輸電塔在減隔震措施方面存在的不足以及調(diào)諧質(zhì)量阻尼器本身缺點(diǎn)，搭建輸電塔模型進(jìn)行相關(guān)研究。以模型為基礎(chǔ)，對(duì)比基礎(chǔ)隔震和安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對(duì)地震波作用下結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制效果的不同，研究質(zhì)量、剛度、阻尼參數(shù)對(duì)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減震效果的影響。

1 研究方案

為更好地控制輸電塔結(jié)構(gòu)振動(dòng)，采用基礎(chǔ)隔震和安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器兩種方法來(lái)進(jìn)行分析。按照輸電塔結(jié)構(gòu)形式，采用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)一個(gè)小型模型，其概念設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。

圖1 輸電塔模型概念圖

根據(jù)概念圖選取合適材料搭建輸電塔，再利用輸電塔進(jìn)行振動(dòng)控制研究。對(duì)該塔施加不同的外部激勵(lì)，獲得不同的減震措施下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，了解不同措施對(duì)模型的減震控制作用。具體研究路線見(jiàn)圖2。

圖2 研究路線

2 模型的設(shè)計(jì)與制作

2.1 模型設(shè)計(jì)

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)過(guò)程要充分考慮相似性準(zhǔn)則，要滿足幾何相似、物理相似和邊界條件相似，具體設(shè)計(jì)如下：輸電塔模型共分4 層，從下往上高為200 mm、150 mm、150 mm 和100 mm，頂部搭設(shè)高20 mm 的塔尖，層間用4 個(gè)X 形支撐，共計(jì)16 個(gè)。塔從底向上逐漸收分，4 個(gè)柱腳間尺寸為150×150 mm ；一層頂部4 個(gè)柱子間尺寸為100×100 mm，二層為80×80 mm，三層為60×60 mm，四層為50×50 mm ；連接柱子的橫梁各端向外伸出10 mm。4 根主要承力柱截面為3×6 mm，其余構(gòu)件截面為3×3 mm，節(jié)點(diǎn)支架用膠水粘接。模型尺寸見(jiàn)圖3。采用竹條的材料參數(shù)為抗拉彈性模量27.60 GPa,抗拉強(qiáng)度547.68 MPa。

圖3 模型詳細(xì)尺寸（單位：mm）

2.2 模型制作

根據(jù)模型尺寸采用竹條進(jìn)行搭建，共分六步。一，材料準(zhǔn)備。包括3×3 mm 方形截面長(zhǎng)度為1 m的竹條、膠水、模型墊板、小刀、剪刀、磨砂紙和記錄本；二，制作構(gòu)件。按尺寸截取支撐柱、橫梁、X 形支撐長(zhǎng)度；三，模型定位。在墊板上定位模型中心和柱腳位置；四，框架搭建。安裝支撐后搭設(shè)外部框架，形成整體框架；五，安裝X形支撐。每層柱子間安裝X 形斜撐，加固結(jié)構(gòu)；六，完成模型。安裝塔尖、強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)，完善模型。

3 實(shí)驗(yàn)方案

采用兩種實(shí)驗(yàn)方法研究不同減隔震法對(duì)高聳塔振動(dòng)控制效果的影響。

3.1 基礎(chǔ)隔震實(shí)驗(yàn)

日本學(xué)者河合浩藏認(rèn)為先在地基上縱橫交錯(cuò)放置幾層圓木，圓木上做混凝土基礎(chǔ)，再在其上蓋房，可削弱地震傳遞的能量[4]。按此思路，實(shí)驗(yàn)制作了基礎(chǔ)隔震體系（見(jiàn)圖4）。以該體系為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。先在結(jié)構(gòu)上安裝加速度傳感器，用于加速度響應(yīng)信號(hào)采集；將模型、圓木從上向下放在墊板上，再兩邊放置定位器，防止墊板運(yùn)動(dòng)距離過(guò)大；最后施加激勵(lì)并進(jìn)行信號(hào)采集。人工在墊板上施加外部激勵(lì)，從而引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)共包含三個(gè)工況：一為無(wú)隔振措施；二為設(shè)置4根滾軸；三在高聳塔上懸垂重物。分別測(cè)量、記錄模型一、二、三層在各工況下的加速度響應(yīng)信號(hào)。

圖4 基礎(chǔ)隔震體系

3.2 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器實(shí)驗(yàn)

采用細(xì)繩、砝碼和橡皮筋來(lái)組裝成TMD 系統(tǒng)，細(xì)繩模擬剛度系統(tǒng)，砝碼模擬質(zhì)量系統(tǒng)，橡皮筋模擬阻尼系統(tǒng)。將細(xì)繩綁在結(jié)構(gòu)上，與模型形成整體，然后粘貼在振動(dòng)臺(tái)上，再裝上傳感器（見(jiàn)圖5），完成實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備。

圖5 TMD 實(shí)驗(yàn)

制定TMD 系統(tǒng)時(shí)需計(jì)算細(xì)繩長(zhǎng)度，其長(zhǎng)主要由模型固有頻率決定。采用 Welch 法來(lái)分析該塔固有頻率，得到模型的功率譜曲線（見(jiàn)圖6），通過(guò)峰值拾取得到該結(jié)構(gòu)的第一階頻率為0.5 Hz。結(jié)合單擺公式（1）， 得到細(xì)繩長(zhǎng)度為0.99 m，因?qū)嶋H情況無(wú)法滿足，最終決定細(xì)繩實(shí)際長(zhǎng)度為13 cm。

圖6 點(diǎn)自功率譜幅頻曲線

此次振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)選用hollister 地震波，觀察初始現(xiàn)象，振動(dòng)較小，再將地震峰值調(diào)整為0.4 g，地震波長(zhǎng)為30 s。實(shí)驗(yàn)前共制定16 個(gè)工況，每個(gè)工況又分為一、二層。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用傳感器采集響應(yīng)信號(hào)，因振動(dòng)方向結(jié)構(gòu)響應(yīng)較大，所以此次響應(yīng)信號(hào)主要關(guān)注振動(dòng)方向的加速度和角速度響應(yīng)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)基礎(chǔ)隔震實(shí)驗(yàn)和TMD 實(shí)驗(yàn)獲得模型一至三層的加速度響應(yīng)和角速度信號(hào)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻率分析，研究不同措施的減隔震效果[5]。

4.1 基礎(chǔ)減隔震結(jié)果分析

設(shè)置傳感器采樣頻率為50 Hz，人為施加激勵(lì)，測(cè)得模型在一、二、三層運(yùn)動(dòng)方向的加速度信號(hào)。

4.1.1 時(shí)域結(jié)果分析

對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析。提取三種情況下的加速度響應(yīng)極值分析控制效果，處理結(jié)果見(jiàn)表1。可發(fā)現(xiàn)增加減隔震措施后，除第一層外，二、三層的減隔震效果明顯增加，可達(dá)50%左右。可見(jiàn)，基礎(chǔ)隔震措施對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制具有較強(qiáng)效果。實(shí)際工程中可采用類似的基礎(chǔ)隔震措施，減小高聳結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，從而起到保護(hù)結(jié)構(gòu)安全的目的。

表1 減隔震效果分析

4.1.2 頻域結(jié)果分析

對(duì)測(cè)得的加速度響應(yīng)信號(hào)采用Welch 法進(jìn)行頻域分析，研究對(duì)應(yīng)不同頻率時(shí)能量的大小，分析結(jié)果見(jiàn)圖7。從能量角度分析可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)第一層，采用滾軸隔震減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量，增加質(zhì)量卻增加了結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量。對(duì)于結(jié)構(gòu)第二、三層，兩種減隔震措施明顯降低了結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量，其中采用滾軸隔震效果最好。

圖7 各層自功率譜密度

4.2 TMD 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

TMD實(shí)驗(yàn)采用振動(dòng)臺(tái)施加激勵(lì)，每次振動(dòng)30 s，傳感器采樣頻率為50 Hz，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了模型施加激勵(lì)方向的加速度響應(yīng)信號(hào)和角速度信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。

4.2.1 時(shí)域結(jié)果分析

以實(shí)驗(yàn)測(cè)得的加速度響應(yīng)信號(hào)為基礎(chǔ)，按照TMD 質(zhì)量的不同對(duì)其進(jìn)行分類匯總，發(fā)現(xiàn)不同形式的細(xì)繩以及質(zhì)量會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制起不同效果。提取各工況的加速度響應(yīng)極值進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表2），可發(fā)現(xiàn)：尼龍絲工況，10 g 時(shí)隔振效果最好，一層效果達(dá)6%，二層達(dá)15% ；尼龍絲加橡皮筋工況，5 g 時(shí)隔振效果最好，一層效果達(dá)5%，二層達(dá)12% ；細(xì)鋼絲工況，20 g 時(shí)隔振效果最好，一層效果達(dá)2.3%，二層達(dá)11%。再對(duì)角速度極值進(jìn)行分析（見(jiàn)表3），可發(fā)現(xiàn)TMD 裝置未對(duì)一層起減隔震作用，對(duì)二層起一定的作用。

表2 模型在不同TMD 下的一、二層加速度信號(hào)

表3 模型在不同TMD 下的一、二層角速度信號(hào)

4.2.2 頻域結(jié)果分析

根據(jù)上節(jié)得到的最優(yōu)振動(dòng)工況進(jìn)行頻域分析。最優(yōu)工況為掛繩尼龍絲、砝碼10 g ；掛繩尼龍絲加橡皮筋、砝碼5 g ；掛繩細(xì)鋼絲、砝碼20 g，采用Welch 法進(jìn)行自功率譜分析。可發(fā)現(xiàn)，采用適當(dāng)?shù)腡MD 系統(tǒng)能一定程度降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量，但與基礎(chǔ)隔震措施相比降低較少。可見(jiàn)采用TMD 措施不如基礎(chǔ)隔震對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制效果強(qiáng)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比基礎(chǔ)隔震和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對(duì)輸電塔的振動(dòng)控制效果可發(fā)現(xiàn)，雖然人為激勵(lì)每次施加會(huì)有所區(qū)別，但基礎(chǔ)隔震措施對(duì)第二層的振動(dòng)控制效果達(dá)56%，對(duì)第三層的控制效果達(dá)47%。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器實(shí)驗(yàn)每次施加的外部激勵(lì)相同，選擇較為合適的TMD 系統(tǒng)，一層隔振效果達(dá)6%，二層效果達(dá)15%。可見(jiàn)采用基礎(chǔ)隔震措施比安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器更能達(dá)到最優(yōu)的振動(dòng)控制效果。

5 結(jié)論

通過(guò)搭建輸電塔模型，并以此為基礎(chǔ)，采用基礎(chǔ)隔震和安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制，施加人為激勵(lì)和地震激勵(lì)研究不同措施對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制效果，發(fā)現(xiàn)：①?gòu)臅r(shí)頻域角度分析，兩種措施均對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制起一定效果，基礎(chǔ)隔震效果優(yōu)于安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。②采用基礎(chǔ)隔震，除第一層外，二、三層減隔震效果明顯增加，可達(dá)50%左右。③安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，采用不同形式細(xì)繩和不同質(zhì)量砝碼隔震效果有所不同，最優(yōu)為尼龍絲工況，砝碼10g 時(shí)效果。④增加阻尼可適當(dāng)降低TMD 質(zhì)量，取得較好的減震效果。