耗能减震技术的应用【原创首发】

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耗能减震技术的应用
摘要：本文总结了耗能减震技术近几年来的研究与应用情况，主要包括各种新型耗能减震装置的原理、性能及应用。文中还介绍了有关耗能减振技术发展中的一些问题。
关键词: 主动控制  耗能 记忆合金  智能控制
1  前言
地震灾害严重威胁着人类的生存与发展，因此，通过工程技术来提高建筑结构的地震抵御能力已成为土木结构工程的重要学课之一。传统的建筑抗震设计是依靠结构本身的性能抵御地震作用，使结构满足小震不坏、中震可修、大震不到的原则。但是，由于地震的随机性，可能超出人们的预料而使结构严重破坏。因此，合理有效的抗震途径是对建筑结构施加控制机构，由控制机构与结构共同承受地震作用，以调谐和减轻结构的地震反映。结构减震控制按是否有外部能源输入可分为主动控制、被动控制和混合控制。见图1（见附件1）
    结构振动控制是近二十年发展起来的一门新兴科学，近几年获得了迅速发展，取得了不少创造性的成果。

2   耗能减震装置的类型与性能
  耗能减震技术是把结构物中的某些构件（如支撑、剪力墙）设计成耗能部件或在结构物的某些部位（节点或连接处）装设阻尼器。在强地震作用时，耗能杆件或阻尼器率先进入非弹性状态，大量耗散输入结构的地震能量，使主体结构避免进入明显的非弹性状态，从而保护主体结构在强震中免遭损害。试验证明，耗能装置甚至可以消耗地震总输入能量的以上。下面介绍目前工程中的几类耗能阻尼器。
耗能减震装置的类型与形式很多，本文章主要介绍以下几类：（1）铅阻尼器；（2）摩擦耗能器；（3）记忆合金阻尼器等。
2.1   铅阻尼器
铅具有密度大、熔点低、塑性高、强度低、耐腐蚀、润滑能力强等特点，因其有较高的延性和柔性，故在变形过程中可以吸收大量的能量，并有较强的变形跟踪能力。同时，通过动态回复与在结晶过程，其组织和性能还可恢复至变形前的形态。以上特性使铅成为抗震、控震及消声的优选材料之一。目前研制开发的铅阻尼器类型主要有：铅挤压阻尼器、铅剪切阻尼器、铅节点阻尼器、异型铅阻尼器等。
铅剪切阻尼器是由新西兰Penguin Engineering 公司研制成功的。它利用铅受剪切产生的塑性滞回变形来耗能。该阻尼器的显著特点是对微小变形十分敏感，在 的变形下即可获得较大的阻尼，而其变形范围可以从 至 ，甚至可到达 ，阻尼力范围从 到 。铅的动态再结晶成功使其在设计变化范围内可以在不同的变形下循环几千次而不出现退化现象，且保持原有的力学性能不变。同时，铅剪切阻尼器提供的阻尼力大小与变形速度无关，类似于理想的塑性体。铅剪切阻尼器具有以下优点：（1）使用寿命不受限；（2）提供的阻尼力可靠；（3）对位移变化敏感；（4）构造简单，工作中不须维护等。铅剪切阻尼器不但可用于减震，而且也是柔性结构解决振动问题的有效途径。
铅节点阻尼器是日本的Sakurai等研制开发的，它由铅管、钢环和连接板组成。在外荷载作用下，阻尼器产生相对剪切变形而耗散能量。对该类阻尼器的静力试验、拟动力试验、动力试验结果分析表明：（1）阻尼器工作性能十分稳定；（2）滞回环饱满，呈矩形，具有较高的能量吸收能力；（3）随着加载速度的增加，最大荷载略有增加；（4）在一定的变形范围内，阻尼器的恢复力不会产生退化。
2.2   摩擦耗能器
摩擦耗能器是一种性能良好的耗能减震装置。由于它具有较好的库仑特性，耗能明显，可提供较大的附加阻尼，且结构简单、取材容易、制作方便，因而具有广泛的应用前景。已研制开发的摩擦耗能器主要有：Pall型摩擦装置、Sumitome型摩擦筒制振器、摩擦剪切铰耗能器、滑移型长孔螺栓节点耗能器、双向摩擦耗能装置等。
双向摩擦耗能装置是Dorka设计
研制的，如图2（见附件2）所示，它由环状弹簧、滑盘及高强螺栓构成。滑盘内交叠搁置有大量扁平和凸状的滑板，使施加在滑盘上的螺栓预压力可按环状分布，因此具有多向耗能的特点。通过调整螺栓的预压力，可使其在不同大小的水平荷载作用下发生滑动，达到耗能减震的目的。Pall型摩擦装置是由Pall与Marsh共同研制设计的，如图3所示（见附件3）。该装置由带有镀层的摩擦制动板组成，
机构的滑移受板间摩擦力控制，而摩擦力取决于板间的挤压力，可通过松紧节点板间的高强螺栓来调节。该装置按正常使用荷载及小震作用下不发生滑动的条件进行设计；而在强烈地震下，其主要构件尚未发生屈服，装置即产生滑移，装置通过滑移摩擦耗散地震的能量，并改变机构的自振频率，从而使结构在强震时能改变动力特征，达到减震的目的。Pall与Filiatrault分别进行了摩擦耗能装置的周期循环荷载试验研究。试验结果表明，摩擦耗能装置具有良好的滞回性能，滞回曲线所围面积呈丰满的举行，稳定而无衰减。
2.3   记忆合金阻尼器
形状记忆合金（SMA）是一种兼有感知和驱动功能的新型材料，它与传统材料的区别是具有高阻尼特性和大变形超弹性特性，能够重复屈服而不产生永久变形，因而有很好的耗能能力。目前，主要的几种记忆合金为Ni－Ti合金，Cu基合金和Fe基合金等。Ni－Ti合金丝的典型滞回曲线如图4所示（见附件4）。
90年代初，一些学者对利用形状记忆合金制成被动耗能器以控制结构的地震反应进行了研究。Aiken等在美国加利福尼亚大学地震工程研究中心进行了装有Ni－Ti拉力装置
的交叉支撑3层钢结构模型试验研究。美国国家地震工程研究中心对装备有铜锌铝记忆合金装置的5层钢结构模型进行了研究。Higashino等对利用镍钛合金丝制成的耗能器的减震性能作了研究，耗能器被安装在结构层间，利用结构的层间变化到达耗能减震的目的。理论分析表明，地震时输入结构的振动能量几乎减少了一半，大部分能量被耗能器吸收。
   形状记忆合金材料首次被应用十土木工程结构的振动控制技术可认为是在1972年。随后世界许多国家都开展了各种形状记忆合金阻尼器的理论工作，所谓的“形状记忆效应”是晶体材料在外力作用下发生变形而在温度作用下发生逆变形的一种过程，在完全母相状态下对形状记忆合金材料进行定型，然后冷却到—定温度后形成完全马氏体，再将处于马氏体状态下的材料施加外力使其产生残余变形，如果从产生残余变形的温度开始加热，伴随有逆相变即从马氏体向母相奥氏体转变，就可以使原来存在的残余变形消失，并回复到母相所固有的形状。图5给出了形状记忆效应示意图；图中 表示由母相开始转变为马氏体的温度， 表示马氏体相交完成(形成 马氏体）的温度， 表示马氏体经加热时开
始逆相变为母相的温度。 表示逆相变完成(形成 母相)的温度。当马氏体变形后经逆相变，能恢复母相形状的称为单程形状记忆效应．有的材料经适当训练后，不但趵母相状态下的形状具有记忆能力，而且在再次冷却时能恢复马氏体变形后的形状．称为双程形状记忆效应，如图5c所示（见附件5）。

3  结构振动控制中的几个问题
3.1 时滞现象与时滞控制
目前，随着对振动控制要求的提高，时滞控制和非线性控制正日益引起人们的关注。结构控制中，传感器测量、处理器计算、作动器驱动都需要一定的时间，导致控制力出现时间滞后现象。时滞不仅减弱系统性能，还会使控制系统的特性发生质的变化，由此引发系统运动稳定性和分岔等一系列问题，尤其是在高模态控制的情况下。
有三类时滞补偿的方法：理论型补偿、相空间补偿和时域补偿。前者将时滞系统描述为偏微分方程，在线计算量大。在时滞较小时，可以用Taylor 级数截断简化计算或引入作动器的反馈迭代。次者通过反馈增益修正，对系统频率要求较严格。后者用运动补偿设计和动力补偿设计来预测响应，易受系统噪音干 扰。各自的局限性都有待于完善。针对液压系统存在的时滞，利用时滞反馈对船载吊车的摆动进行控制；采用时滞反馈控制非线性系统的混沌运动，也不失为一种积 极的尝试。
3.2 非线性控制
由于实际建筑结构本身材料的非线性，在地震中表现出弹塑性；建筑结构中存在某些非线性构件的影响；在被动控制中引入的基底结构存在非线性等等，在实际结构系统中充满非线性问题，因此非线性控制方法的结果比线性控制方法更接近实际，也更加有效。
近十几年才开始的对非线性系统控制的研究，主要是把优化控制法从线性系统推广到非线性系统。Yang 在混合控制方法中应用非线性原理考虑滞后效应，运动方程涉及非线性阻尼力向量和非线性回复控制力向量。被动控制中底层支撑行为的非线性及整体结构的滞后都 使控制复杂化。对于结构地震响应控制，在控制反馈中使用速度和加速度反馈较传统的位移和速度反馈理想，因为加速度响应可以很容易地从加速度传感器得到。
3.3 智能结构振动控制
传统的结构是一种被动结构，一经设计、制造完成后，其性能是不易改变的，不能适应不断发展的航天等空间结构的要求，并使传统主动控制技术的实际应用受到限 制。随着材料科学、控制理论、微电子和计算机技术的迅速发展，特别是新型传感器和作动器研究取得突破性进展，产生了智能结构这一崭新的现代结构概念。
智能结构被定义为主动结构。它是将传感、作动、控制逻辑电路、电子集成芯片、信号处理器、信息处理和人工智能环节以及数据传递总线、电源等与主体结构高度融 合在一起，具有感知、智能逻辑判断与响应内外环境变化的能力，实现结构的自检测、自诊断、自校正、自适应、自修复和学习等功能。智能结构从一开始提出就受 到工业发达国家的高度重视。目前，对用于振动工程中的智能结构的研究主要集中在：传感器、作动器及其优化配置，智能结构动力学建模及其振动控制等方面。
智能结构研究的一个重要内容是实现结构的主动振动控制，主要通过局部控制和全局控制方法来实现结构的振动抑制。对智能桁架结构的振动控制研究已取得显著的主动阻尼控制效果。Preumout采用数字控制器，进行了微分和积分力反馈控制实验，分别使悬臂智能桁架结构的第一阶模态阻尼由0.3%增加到3%和9%。因此局部阻尼控制方法的研究仍然是智能结构振动控制的基础。

4  结语
耗能减震技术为结构的抗震设计和抗震加固提供了一条崭新的途径，它克服了传统结构“硬碰硬”的设计方法，具有概念简单、减震机理明确、减震效果显著，安全可靠的特点。但是我们要加强改进和优化现有隔震、减震结构体系，开发新型、高效、适应性强的耗能减震装置。

参考文献：
[ 1 ]  周云、刘季 耗能减震技术研究与应用 世界地震工程，1995
[ 2 ]  周云、刘季 新型耗能（阻尼）减震器的开发与应用，1998
[ 3 ]  刘季、周云 结构抗震控制的研究与应用状况，1995
[ 4 ]  彭刚、张国栋 .土木工程结构振动控制. 武汉理工大学出版社
[ 5 ]  李宏男、李忠献 .结构振动与控制.中国建筑工业出版社
[ 6 ]  陈燊 .广义结构力学及其工程应用.中国铁道出版社