采用橡膠隔振墊和阻尼器的建筑抗震混合控制

1橡膠墊系統(tǒng)的非彈性能近年來，土木工程抗疲勞體系領(lǐng)域取得了很大進(jìn)步。通常的抗震保護(hù)系統(tǒng)分為兩種,即消極的減震保護(hù)系統(tǒng)和積極的減震保護(hù)系統(tǒng)。積極的減震保護(hù)系統(tǒng)和消極的減震保護(hù)系統(tǒng)的差別在于后者需要借助外部的力來抵抗結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。消極減震保護(hù)系統(tǒng)一個(gè)重要的類型是橡膠墊隔震系統(tǒng),該系統(tǒng)能減小傳到結(jié)構(gòu)上的水平地震力。這種隔震系統(tǒng)的目的是降低整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本頻率,使其處在支配地震激勵(lì)的頻率范圍之外。然而,橡膠墊系統(tǒng)僅限于用在低層建筑中,因?yàn)樵诘卣鸢l(fā)生后,隔震系統(tǒng)的非彈性變形能累積在高層建筑中。因此,單一的橡膠墊保護(hù)系統(tǒng)不能在劇烈地震中高效地保護(hù)高層建筑。另外,當(dāng)一個(gè)可操作的控制系統(tǒng)被單獨(dú)的作為高層建筑的初級(jí)抗震保護(hù)系統(tǒng)時(shí),所需外界提供的主動(dòng)控制力和頻率可能會(huì)非常大。這樣,就需要分析一個(gè)大型操作控制系統(tǒng)的造價(jià)、可行性和實(shí)用性。實(shí)際上,很多建筑都有裙房,通常采用主建筑下的橡膠墊隔震系統(tǒng)來降低水平地震力。如在一個(gè)主建筑和一個(gè)無橡膠墊的裙房之間設(shè)計(jì)一個(gè)被動(dòng)的控制系統(tǒng),那么在地震發(fā)生時(shí)主建筑就會(huì)受到充分的保護(hù),這樣,形成一個(gè)混合控制系統(tǒng)?；旌峡刂葡到y(tǒng)是完全利用建筑物間的相互震動(dòng)來降低或控制前期地震。2房建筑間的相互關(guān)系如圖1所示的有橡膠墊的主建筑和無橡膠墊的裙房建筑,阻尼器設(shè)計(jì)在主建筑和裙房建筑之間來控制主建筑上層的水平位移。在這個(gè)模型中,地震時(shí),每個(gè)樓層的垂直位移是一樣的,剪力集中作用在每層樓層處。整個(gè)建筑建在堅(jiān)硬的場(chǎng)地上,土和建筑之間的分離和相互作用不予考慮。因此,如圖1所示,采用簡(jiǎn)化的剪切模型。2.1附加傾覆彎矩的矩陣如圖1所示的具有一個(gè)橡膠墊和阻尼器的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。主建筑的運(yùn)動(dòng)方程如下:每層的軸力,是該樓層以上的結(jié)構(gòu)的總重量,在劇烈地震中被假定為常量。用幾何剛度矩陣常數(shù)KG來考慮。K和KG之間的關(guān)系表達(dá)式為:其中,Ke為彈性剛度矩陣,KG為幾何剛度矩陣。來自軸向力的附加傾覆彎矩適用于第i樓層單元,用來表示。其中,表示包括第i層在內(nèi)的第i層以上的總重量。為了平衡附加彎矩,需要一個(gè)等效的橫向力作用在第i層單元的上下端。其中,hi是第i層單元的高度。適用于結(jié)構(gòu)的所有樓層的等效附加橫向力可以由以下矩陣給出:其中P是壓縮力,G是剪切模量,AS是斷面面積,EI是彎曲剛度,L是方向長(zhǎng)度。當(dāng)軸壓力P被忽略時(shí),不考慮P-△效應(yīng)的橡膠的水平剛度可以通過方程。(7),當(dāng)P=0時(shí)得到這樣,由于P-△效應(yīng)的影響,水平剛度的減少量△K通過下式給出最后,整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何剛度矩陣由方程(6)和方程(7)組成如下阻尼力FD表示如下其中,fdi是任意第i個(gè)連接層阻尼力。2.2磁滯回線參數(shù)估計(jì)阻尼器的滑動(dòng)摩擦力表示如下這里Zi是一個(gè)滯后無量綱成分,滿足下面非線性一階微分方程,被表示為這里β、和n是磁滯回線的無量綱參數(shù)。選擇參數(shù)β、和n控制回線的形狀,例如施加一個(gè)剛塑性行為(典型的庫(kù)侖-摩擦的行為).上述參數(shù)的推薦值是:β=0.5,=0.5和n=5.滯后位移量Zi被它的峰值±1限制,分別在滑動(dòng)和非滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)計(jì)算。2.3rk步進(jìn)法阻尼器的移動(dòng)力是系統(tǒng)位移和速度的非線性函數(shù)。結(jié)果,運(yùn)動(dòng)基本控制方程用Newmark步進(jìn)法假定加速度在一個(gè)非常小的時(shí)間間隔內(nèi)線性變化得到增量解。對(duì)于滯回模型,用遞次求近法評(píng)價(jià)滯后位移增量。迭代法需要克服在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)結(jié)束后系統(tǒng)的反應(yīng)的依賴性。另外,可以用一種四級(jí)Runge-Kutta法解一階微分方程Eq.(10)。3橡膠墊、阻尼器的結(jié)構(gòu)的受荷特點(diǎn)圖3所示的地震波作為輸入條件。結(jié)構(gòu)使用一個(gè)有四個(gè)橡膠墊的隔震基礎(chǔ)。每個(gè)橡膠墊的特性為:長(zhǎng)度60cm,重量130kN,剛度58.5kN.m2.不計(jì)P-△影響的整個(gè)隔震系統(tǒng)基座的水平剛度為4Kb=3,200kN/m。隔震系統(tǒng)基座的質(zhì)量為mb=2,000kN。評(píng)價(jià)混合控制系統(tǒng)的隔震效果,用已有的地震記錄計(jì)算無橡膠墊建筑,設(shè)橡膠墊建筑和同時(shí)設(shè)置橡膠墊和阻尼器的建筑。加速度、位移、第8層的位移、第8層的相對(duì)位移和第8層的剪力由圖4至7給出。圖4顯示使用橡膠墊的建筑的加速度明顯減小了,但是圖5顯示結(jié)構(gòu)的位移卻明顯增加了。橡膠墊很小的水平剛度就導(dǎo)致了加速度比和位移比的明顯不同。這樣,橡膠墊能減小上層建筑的加速度,但它卻使上層建筑的絕對(duì)位移增加了?？傊?設(shè)橡膠墊和阻尼器的建筑的加速度和位移在三種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中是最小的,這說明混合控制系統(tǒng)在抵抗地震力中是有效的。圖6顯示了設(shè)置橡膠墊和阻尼器的建筑在第八層的相對(duì)位移是最小的,并且與無橡膠墊建筑相比,設(shè)阻尼器建筑的運(yùn)動(dòng)可以看成剛體運(yùn)動(dòng)。因此,地震發(fā)生時(shí),阻尼器可以有效的減少樓層間的相對(duì)位移。圖7顯示了僅有橡膠墊的建筑的層間剪力是最小的。因此橡膠墊能有效地阻止水平地震力傳給上層建筑。但是,設(shè)橡膠墊和阻尼器的建筑的層間剪力比僅設(shè)橡膠墊的建筑的層間剪力大,比無橡膠墊的建筑物的層間剪力小。因此,在主建筑和裙房建筑間設(shè)置阻尼器增加了上層建筑的層間剪力。通常,設(shè)置橡膠墊和阻尼器的混合控制系統(tǒng)是減少具有裙房的主體建筑的地震力的有效方法。橡膠墊可以減小上層建筑的加速度、相對(duì)位移和層間剪力。阻尼器可以減小上層建筑的加速度、相對(duì)位移和絕對(duì)位移?；旌舷到y(tǒng)能有效阻止水平地震力傳給上層建筑并且改進(jìn)了積極和消極控制的可行性。4混合控制系統(tǒng)混合控制系統(tǒng)是具有裙房的建筑減少地震反應(yīng)的有效方法。使用混合控制系統(tǒng)的建筑的抗震性能優(yōu)于基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)?；旌峡刂葡到y(tǒng)綜合了消極和積極控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)可以通過使用能阻止水平地震力傳向上層建筑的橡膠墊和能控制橫向位移的阻尼器來減少建筑的地震反應(yīng)。橡膠墊能減少上層建筑的加速度、相對(duì)位移和層間剪力。阻尼器能減少上層建筑的加速度、相對(duì)位移和絕對(duì)位移。因此,本文研究了減弱高層建筑強(qiáng)烈地震力的混合控制方法。混合控制系統(tǒng)由一個(gè)橡膠墊隔震系統(tǒng)和阻尼器組成。應(yīng)用這種混合系統(tǒng),保留了能大幅度降低建筑的水平震動(dòng)的基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),阻尼器也使得它的安全性和完整性得到了保障。為了證明混合控制方法在降低裙房加速度、位移、樓層剪力方面是非常有效的,分析了僅設(shè)橡膠墊、無橡膠墊和阻尼器、同時(shí)布置橡膠墊和阻尼器三種狀況,并進(jìn)行了對(duì)比,為混合控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。其中,中;是第i層與地面的相對(duì)位移;是橡膠墊系統(tǒng)的相對(duì)位移;是單位矢量;是地面運(yùn)動(dòng)的加速度;是控制力矢量。是有關(guān)對(duì)角線的