结构振动控制技术

F cv n
式中，v为相对速度；c为阻尼常数；n为待定常数，一般 取n＝0.5~2.0。
c、当采用的阻尼器为滞回型阻尼器时，隔震层系统分析 模型可采用如图5.13所示的双线型模型。
图2.16 橡胶垫层隔震层恢复力模型
d、铅芯多层橡胶隔震支座和高阻尼多层橡胶隔震支座可 采用修正的双线型模型，如图：
地震中破坏的桥梁
风的作用
风作用下结构可能发生颤振、驰振、涡振以及静风失稳
1897年
英 国 泰 湾 桥 风 毁
风灾破坏事例
1948年美国塔可玛桥（Tacoma Narrow）风毁
风的破坏作用
Tacoma桥风毁视频
风的破坏作用
从 1918年起 ，至少有11座桥梁毁于强风
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风灾破坏事例-静风失稳
（4）阻尼比的确定

2k h 2 d 2
c
c —滞回曲线包围的面积；d—水平刚度 其中： k h 2 —水平位移

6、隔震动力反应分析 （1）隔震层分析模型 a、考虑隔震层的最大位移在多层橡胶隔震支座的线性范 围内(一般最大变形约为250％)，故在该范围内模型可取为线 弹性的。 b、当采用的阻尼器为粘滞型阻尼器时，阻尼力F可按下式 计算：
c、降低了房屋结构造价。7度区可节省1％～3％；8度区 可节 省5％～15％；9度区节省10%～20%。 d、结构平立面设计较为灵活。 e、可以保持仪器和设备的正常使用功能。

4、基底隔震方法 （1）橡胶垫隔震：竖向刚度大，水平刚度为竖向的1% 。 橡胶垫层隔震支座：普通叠层橡胶支座；铅芯叠层橡 胶支座 ；高阻尼叠层橡胶支座。

xg 0
c 2m
2
xst Dxst D
其中D为动力放大系数，当β 较大时，D小于1。
稳态相对位移反应：
p0 x D sin(t ) k
弹性力和阻尼力：
f s (t ) kx p0 D sin(t )
图2.2 动力放大系数
总作用力的幅值：
f max (t ) f
主动控制
混合控制
半主动控制
耗能减震
质量阻尼器
可控流体
粘 弹 性 阻 尼 器
粘 性 液 体 阻 尼 器
调 谐 质 量 阻 尼 器
调 谐 液 体 阻 尼 器
主 动 斜 撑 和 锚 索
主 动 质 量 阻 尼 器
混 合 质 量 阻 尼 器
磁 流 变 阻 尼 器
电 流 变 阻 尼 器
主 动 变 阻 尼 控 制
绪论 （3）结构半主动控制 近几十年来，半主动控制发展迅速。半主动变刚度 ，半主动变阻尼：电流变、磁流变。 半主动控制特点：输入能量很小，控制效果接近主 动控制。 3、讲授内容 隔震、TMD控制原理、TLD/TLCD减振、阻尼器减振， 半主动变刚度、半主动变阻尼、混合控制，半主动与混合 控制，主动控制与智能控制：主动控制、智能控制、自适 用控制。
b、水平变形性能
图2.14 铅芯橡胶支座水平荷载—位移的关系
（3）高阻尼多层橡胶支座 a、竖向变形性能 在竖向压力作用下，高阻尼多层橡胶支座的荷载—位 移曲线，以及伴随水平位移发生的竖向沉降量均和普通多 层橡胶支座的性质大体相同。 b、水平变形性能
图2.15 高阻尼橡胶支座在水平荷载作用下的滞回曲线
地震的破坏作用
低层剪断滑移 Lessons from Earthquakes: damage by weak first story (only columns)
地震的破坏作用
中间层刚度突变,剪断 Lessons from Earthquakes: damage by weak story in middle height
地震的破坏作用
震源
产 生
地震波
传 递
建筑物所在场地
引 起
结构的地震反应
地震的破坏作用
钢结构 (扭转) Torsion by eccentric stiffness in plan
地震的破坏作用
多高层钢筋混凝土结构 Taiwan Earthquake 1999.9.21 1:47 2,300
底层大空间 Lessons from Earthquakes: damage by weak first story (only columns)
地震的破坏作用
平面不规则 单层Lessons from Earthquakes: Low rise buildings also are were severely damaged
地震的破坏作用
房屋内部设备仪器倒塌破坏Lessons from Earthquakes: Facilities inside the buildings were severely damaged
动力方程：
cx kx m g m x x
g 设：m x g 0 sin t m x
图2.1 基底隔震模型
p0 sin t
p0 mxg 0 xg 0 xst 2 k k
xmax 1 (1 ) +4
2 2 2 2
2 s max
cp0 D f c (t ) cx cos(t ) k
cp0 D 2 ( p0 D) ( ) p0 D 1 (2 ) 2 k
2
f
2 c max
f max 2 TR D 1 (2 ) 传导比： p0
图2.3 振动传导比
2时TR 1
主 动 变 刚 度 控 制
被动控制形式Passive Control Systems
PED Excitation Structure Response
m
M
M
M
M
Passive Damper
Base Isolation
Tuned Mass Damper
绪论 研究结构振动控制技术目的 控制结构的振动响应 保证结构安全； 提高结构的舒适性 ； 避免因结构振动引起的公众恐慌。 振动控制技术简介及发展历史 （1）被动控制 a、隔震 1881年，日本河合浩藏提出了结构基础隔震的概念。 1924年，日本鬼头健三郎，提出了基础轴承隔震方案。 1978年，美国Kelly等，提出叠层橡胶支座隔震方案及 技术。
图2.17 修正的双线型恢复力模型
（2）隔震分析模型 a、刚体模型 基底隔震多用于高宽比较小的中低层房屋。如果上部结构 的刚度较大，则由于隔震层的水平刚度相对小得多，上部结构 可简化成刚体。
2.18 隔震结构的刚体模型
振动方程： [M ]{U }+[C]{U}+[K]{U}=-[M][I]x g 式中，[M]、[C]、[K]、{U}和[I]分别为体系的质量 阵、阻尼阵、刚度阵、位移向量和位置向量，具有如下 形式：
绪论
参考书目


《结构振动与控制》—李宏男 《结构振动控制：被动耗能减振，主动、半主动 和智能控制》—欧进萍 《高耸结构振动控制》—王肇民 《结构工程中的被动消能系统》—T.T.Soong等
第二章 基底隔震
1、概念 基底隔震：在基础和上部结构间设置隔震层，使之与 固结于地基中的基础顶面分开，限制地震动向结构物的传 递。隔震层水平刚度显著低于结构的侧向刚度。目前基底 隔震主要用于隔离水平地震作用。 2、原理 通过设置隔震装置系统形成隔震层,延长结构的周期 ，适当增加结构的阻尼,使结构的加速度反应大大减少,同 时使结构的位移集中于隔震层,上部结构像刚体一样,自身 相对位移很小，结构基本上处于弹性工作状态，从而建筑 物不产生破坏或倒塌。
图2.5 橡胶垫层隔震支座
（2）滑、转动支座 a、聚四氟乙烯支座：对输入的地震波频率不敏感， 隔震范围广； b、回弹滑动支座； c、滚轴、滚珠支座；
图2.6 滚轴、滚珠隔震装置
d、摩擦锤支座（FPS） e、摇摆支座 f、踏步式支座 g、阻尼器
图2.7 摇摆式隔震支座
图2.8 踏步式隔震支座

5、隔震装置性能 隔震装置是指将结构与地基隔离的装置和机构，它一 般由隔震器和阻尼器组成。 要求隔震器具有承受荷载的能 力、大变形性能和在大地震后帮助隔震器迅速恢复到原位的 能力。 目前，世界各国 广泛接受和采用的隔 震器是多层(或叠层) 橡胶支座。
结构振动控制技术
主讲：王修勇教授 湖南科技大学土木工程学院 二0一二年三月
第一章 绪论
结构的动力反应
结构在动荷载作用下引起的响应
A xst
1
1 2 2
2
2
常 见 激
地震 风
车辆
...
励
地震作用（中国发生的14次地震） 1556年中国陕西华县8级地震，死亡人数高达83万人。 1668年山东郯（tan）城8.5级，波及8省161县，史称“旷古奇灾” 。 1920年宁夏海原县8.5级，死亡24万人。 1927年甘肃古浪8级地震，死亡4万余人。 1932年甘肃昌马堡7.6级地震，死亡7万人。 1933年四川茂县7.5级地震。 1950年西藏察隅县8.6级地震。 1966年邢台6.8级、7.2级地震，共死亡8064人。 1970年云南省通海县7.7级地震。死亡15621人。 1975年辽宁省海城县7.3级地震。地震被成功预测预报预防。 1976年唐山7.8级地震，死亡24.2万人。 1988年云南省澜沧7.6级(澜沧)、7.2级(耿马)的两次大地震。 2008年汶川8.0级地震，6.9万人遇难。 2010年青海省玉树7.1级地震
> 2时TR 1 此时具有隔震效果。
一般地震的周期为0.1s,卓越频率10HZ，采用隔震层，相 当于减小k，周期为0.4～0.5s，结构固有频率0.2～0.25HZ。
3、隔震结构的特性
a、提高了结构地震安全性及舒适感。 b、防止了非结构构件破坏和建筑物内物品振动、移动和翻倒。
图2.4 隔震与非隔震结构地震反应对比
输电塔风毁 冷却塔风毁
台风毁坏的房屋和桥梁
风的作用
风 灾 使 广 告 牌 毁 坏
风的作用
斜拉桥拉索风雨振（日本）
风的作用
斜拉桥拉索风雨振（洞庭湖大桥）
风的作用
Tokyo bay Bridge
振动控制技术的发展现状
结构振动控制
被动控制 基础 隔震 金 属 屈 服 阻 尼 器 摩 擦 阻 尼 器
图2.9 多层橡胶和单层橡胶块的变形状态
（1）普通叠层橡胶支座的力学性能 a、竖向变形性能 b、水平大变形引起的竖向变形
图2.10 竖向受压时的荷载—位移曲线
图2.11 水平大变形引起的竖向沉降
c、水平变形性能
图2.12 水平荷载—位移曲线
图2.13 竖向压力对水平刚度的影响
（2）铅芯多层橡胶支座 a、竖向变形性能 铅芯多层橡胶支座在坚向压缩时的荷载—位移曲线，以及 伴随水平位移发生的竖向沉降量均和普通多层橡胶支座的性质 基本相同。
绪论 b、耗能减振 1970年开始，Kelly提出在结构中设置非结构构件的耗能 元件—金属软钢屈服耗能器，包括：扭转梁，弯曲梁、U型 钢器件等，这一思想是对结构抗震延性设计的一个重要发展 。阻尼器被动减振应用。80年代开始TMD,TLD,TLCD的应用。 （2）主动控制 20世纪50年代，日本Kobori提出结构变刚度减震概念。 1972年，Yao应用现代控制理论，提出了土木工程结构振 动控制的概念，开创了结构主动控制的新里程。 结构主动控制特点：能取得很好的效果，需要很大外部 能量的输入。
地震作用（国外发生的16次地震）
2003年12月 伊朗6.6级强震，5万人死亡。 2004年2月 摩洛哥6.5级地震， 564人死亡。 2005年3月 苏门答腊8.7级地震， 1300人死亡。 2005年3月 日本南部7级地震， 1人死亡，672人受伤。 2005年2月 伊朗南部6.4级地震， 602人死亡。 2006年5月 印尼爪哇6.2级地震， 5782人死亡。 2007年7月 日本新潟6.8级地震，地震造成11人死亡。 2006年7月 印尼7.7级强震， 668人死亡。 2007年9月 印尼7.9级海底地震，10人死亡数百人受伤。 2007年8月 秘鲁8级强震， 510人死亡。 2009年9月 印尼7.9级地震， 5000人死亡。 2010年1月 海地7.3级地震，十余万人死亡。 2010年2月 智利8.8级地震， 799人死亡。 2011年2月 新西兰6.3级地震，200人遇难。 2011年3月 日本9.0级强震 2011年3月日本东北部海岸发生9.0级地震。 2011年3月缅甸7.2级地震。