组合隔震结构的振动控制研究

组合隔震结构的振动控制研究

姜晗1张纪刚2（通讯作者）

青岛理工大学山东青岛266000

摘要：在现代建筑中，很多情况下建筑结构相邻布置：由防震缝分成的2部分，主体建筑与周围附属裙房及相距很近的建筑群等。这时，如果采取适当的方式将各部分连成一体，通过优化结构的控制参数，就可以利用结构自身的振动抑制或减小其相邻结构的振动，达到相互控制的目的。而且，在用作动器对结构施加主动控制力时，由于相邻结构的存在，作动器的位置可以更加灵活，从而提高主动控制力的控制效果。

关键词：组合隔震结构；振动控制；控制效果

1组合隔震体系运动方程的建立

采用经典线性最优控制（LQR），引入线性二次型最优性能指标

2算例及分析

一相邻结构，主楼9层，裙楼3层。主楼为基础隔震结构，采用叠层橡胶支座隔震层，上部结构质量=…==500t，水平刚度=…==1.7×106kN/m，阻尼为瑞利阻尼，阻尼系数ξ1=0.05；隔震层质量mb=2.5×103t，水平刚度kb=4.7×104kN/m，隔震层阻尼比ξ2=0.20.裙楼结构质量===3.2×103t，水平刚度===1.2×106kN/m，阻尼同主楼。在第3层顶安装控制设备连接主楼和裙楼，地震最大加速度amax=4m/s2。以上参数，如有特别说明时除外。

2.1组合隔震结构的控制效果研究

为研究组合隔震结构主动控制的效果，分别计算出不隔震不控制、只隔震不控制、只控制不隔震及又隔震又控制四种情况的时程曲线如图。从图1和图2可以看出，当只采用隔震措施时，结构的加速度响应显著减小，但其位移响应却有明显增加，其响应峰值比不隔不控时增加25%左右，而加速度响应峰值仅为不隔不控时的1/4左右；当既隔又控时，其加速度响应峰值比只隔不控时减小1/3左右，更重要的是，其绝对位移峰值仅为只隔不控时的35%左右。从图3可以看出，只隔不控与既控又隔的层间位移都有显著减小，与不隔不控相比，要小得多，几乎可以认为是刚体平动。这说明，在组合隔震体系中，隔震措施对减小地震力响应及层间位移响应效果非常明显，但同时使结构绝对位移响应增大；而主动控制，不但可以减小结构的地震力响应，同时，可以极大地抑制结构的绝对位移响应。当两者不同时采用时，可以充分发挥各自的优势。图4为达到相同的减震效果时，只控不隔与既控又隔时各自需要的控制力时程曲线图，很明显，既控又隔所需外部控制力比只控不隔时小得多，这大大增加了主动控制的施控可行性。

2.2裙楼刚度和质量对组合隔震结构控制效果的影响

由于组合隔震结构中裙楼和主楼通过控制力连接，使之共同振动，因此，研究裙楼的刚度和质量对整个组合结构振动的影响意义重大。研究时，为表示方便，引入了影响因子、刚度比例因子和质量比例因子。刚度采用8×107α，α（大于1）为刚度比例因子；质量采用1×105β，β（大于1）为质量比例因子。各响应及控制力的峰值分别与α、β为1时的响应与控制力峰值之比为影响因子。图5和图6分别为主楼顶层响应峰值及控制力峰值（影响因子）随裙楼刚度和质量（比例因子）变化图。从图5可以看出，随着裙楼刚度的增大，主楼的绝对位移、层间位移、加速度及最优控制力均减小，而以层间位移减小最为明显；从图6可以看出，除层间位移外，主楼响应及最优控制力随裙楼质量增大而增大，但增大的幅度较小。这说明，增大裙楼的刚度，有利于组合隔震结构的振动控制，而裙楼的质量对组合隔震结构的振动主动控制影响不大。

2.3隔震度的影响

其它条件不变时，主楼顶层地震响应（均方根）及结构控制力（均方根）随隔震度的变化如图7。由图7可见，隔震度越大，位移响应越大，而加速度响应越小；控制力大小与主楼的隔震度有关，当隔震度为1.5～2.5时，所需控制力最小。当然，控制力的大小还与裙楼的动力特性有关，因为随着隔震度增大，所需抑制的结构位移增大。说明在组合隔震体系中，主楼的隔震度对结构的振动控制有重要影响，但并非隔震度越高越有利于结构的振动控制，应通过控制权函数确定地震响应和控制力之间的关系。

3结论

根据以上计算与分析，可以得到如下结论：1）通过优化控制参数，组合隔震结构振动控制体系能有效抑制结构的振动。2）裙楼的刚度对组合隔震结构的控制效果有重要影响，刚度越大，控制效果越好，所需控制能量越小；但裙楼的质量对它的振动控制影响不大。3）组合隔震体系的隔震度越高，控制效果越好。

参考文献

[1]结构设计中减震与隔震方案设计[J].郭士刚.山西建筑.2017（23）

[2]建筑结构的隔震、减振和振动控制分析[J].孔源.建筑知识.2017（15）