调谐液体阻尼器对框架结构减震性能试验研究★

2019-03-06韦融波李铭书彭苏丹孙素平

山西建筑 2019年6期

韦融波李铭书彭苏丹庞蓉孙素平

(北方民族大学土木工程学院，宁夏银川 750021)

0 引言

我国属于地震多发国，《建筑抗震设计规范》规定，地震设防烈度在6度及以上地区需要进行结构抗震设计，而地震基本烈度6度以上地区面积占全国国土面积约59%以上。地震作用的发生无法预测且具有很强的破坏性，地震灾害往往会造成很大的人员伤亡和社会经济损失，重要原因之一就是由建筑物的破坏甚至倒塌所造成的。框架结构由于自身优点，被广泛应用于多层办公楼、宿舍楼、教学楼以及多层工业厂房中，但是框架结构水平抗侧移刚度较小，容易发生较大的水平位移，因此对框架结构展开减震研究具有重要意义。

目前，提高结构抗震能力主要两种不同的方法：一种是传统设计方法，即通过加强结构的强度和刚度来“抗”震。这种方法明确，易于实现，因此被国内外许多的结构设计规范、标准所采用。另一种方法是振动控制方法，是一种对结构抵御地震作用由“抗”到“减”的方法转变[1,2]。自从土木工程领域开始使用振动控制思想，得到了极为广泛和深入的研究与试验验证，各种减震装置不断的被研发并应用。在近几十年的时间里，很多工程实例都采用了振动控制，使得其已经成为一种新的结构防震减灾方法。

调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper,TLD)，是一种结构被动控制装置，它是利用在结构顶部设置一固定水箱，在地震作用下，固定水箱中液体在晃荡过程中会产生动侧压力，以此来提供减振力的一种装置。TLD造价低、安装简单、易维护[3,4]，而且可以兼做供水水箱和消防水箱使用，具有广泛的应用前景。本文以一6层钢架作为试验对象，通过对有TLD及无TLD的结构模型进行振动台试验，探讨了TLD系统在该种结构中的减振作用。

1 TLD对框架结构的减振原理

调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper简称TLD)属于一种结构控制中的被动控制，减振机理是：当在结构顶部安装TLD时，结构在受到地震作用时会产生振动，从而带动水箱一起发生晃动并激起水箱中液体的晃动。液体晃动过程中碰撞水箱侧壁，产生动水压力并作用在结构上，这种液体和波浪对箱壁的动压力差便成为对结构的减震作用力。具体控制作用体现在：

[M]{X}+[K]{X}+[C]{X}=-[M]{Xg}-FTLD。

式中：[M]，[K]，[C]——结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵;

{Xg}——地面运动加速度;

FTLD——TLD的控制力。

2 试验装置与方法

本文分析试验模型为一6层钢框架结构，试验设备为WS-5931Z/U160216-DA2型振动台控制和信号采集仪，如图1所示。该系统由振动台、电磁式激振器、功率放大器、振动台控制传感器、振动台控制仪组成，最大加速度为±2g，可实现正弦波、地震波的信号输出。在试验时，每层板上均安装加速度传感器，以获取试验过程中每一层的加速度响应。对有无TLD的结构分别进行频谱试验和地震模拟试验。

3 试验结果分析

3.1 结构振型测试

首先，对结构模型在设置TLD前后进行振型测试，得到有无TLD结构的前三阶频率和振型，将频率对比图绘制于图2中。由图2可见，在安装TLD后，结构的前三阶频率均有所降低，这主要是由于布置TLD后，结构的整体质量会有所增大，所以使得频率有所减小。有无TLD对结构的振型影响并不大，前两阶振型均以平动为主，第三阶开始出现扭转。

3.2 振动台试验

在对结构进行振动台试验时，地震波选择汶川波，将汶川波输入到振动台进行地震模拟试验。通过每层板上安装的加速度传感器，测得有无水箱结构的每层加速度时程响应，选取顶层加速度时程响应绘制于图3中。由图3可见，结构顶层加速度随着地震作用逐渐增大然后由于结构阻尼的作用衰减为0，在结构顶部安装TLD后，结构的加速度响应明显降低，降低幅度为51.93%。

为了进行深入研究，不断改变水箱中水的容量并在水箱中增加钢丝网，对结构进行多次减震试验，将地震加速度极值随着水容量以及内部增加铁丝网的变化情况绘制于图4中，由图4可见，随着水箱内容量的增大，减震效率先增大后减小，基本在水容量为600 mL时减震效果最好，增加铁丝网后，由于刚度不够，因此并没有明显的减震效果。