朱嘉霖

摘要：當(dāng)建筑物建造于比較軟的地基之上，土-結(jié)構(gòu)相互作用會(huì)導(dǎo)致土-結(jié)構(gòu)相互作用體系的動(dòng)力特性發(fā)生改變，以至于影響建筑振動(dòng)的控制效果。因此，在分析建筑振動(dòng)的控制時(shí)要考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用。本文主要是從土-結(jié)構(gòu)相互作用下不規(guī)則建筑振動(dòng)的被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制三個(gè)方面進(jìn)行分析，綜合論述了土-結(jié)構(gòu)相互作用下不規(guī)則建筑振動(dòng)的控制問題。

關(guān)鍵詞：土-結(jié)構(gòu)相互作用；振動(dòng)；調(diào)頻質(zhì)量阻尼器；動(dòng)力特性

土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)不規(guī)則建筑振動(dòng)的影響主要體現(xiàn)在可以減小建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率、濾掉地震中的激勵(lì)成份、增大高層建筑的結(jié)構(gòu)阻尼。土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)于建筑振動(dòng)影響的好與壞主要是取決于地面運(yùn)動(dòng)的頻率成分。當(dāng)?shù)孛孢\(yùn)動(dòng)的頻率接近建筑地基頻率，土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)于建筑振動(dòng)的影響將是有害的。對(duì)于建筑物較高地基較軟的建筑，在計(jì)算結(jié)構(gòu)地震位移時(shí)必須要考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用，因?yàn)槎吲c頻率的平方成比例。另外，地震一旦發(fā)生，建造于土層上的建筑物的上部會(huì)受到來自于瞬時(shí)土層的地震響應(yīng)將會(huì)很大。因此，在建筑物不規(guī)則振動(dòng)的分析中應(yīng)充分考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響。本文分別從被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制三個(gè)方面綜合分析了在考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用下不規(guī)則建筑振動(dòng)的控制問題。

一、被動(dòng)控制方面的分析

在考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用下不規(guī)則建筑振動(dòng)被動(dòng)控制方面，主要是研究土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)于調(diào)頻質(zhì)量阻尼器性能的影響。這里提到的調(diào)頻質(zhì)量阻尼器是一種由質(zhì)塊，彈簧與阻尼系統(tǒng)組成的能夠通過改變結(jié)構(gòu)共振性達(dá)到減震效果的裝置。許多研究表明，當(dāng)?shù)鼗容^軟的時(shí)候調(diào)頻質(zhì)量阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)的減震效果不夠理想。如果不將剪切波速作為影響因素，通過數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)，隨著土質(zhì)的柔軟程度增加，調(diào)頻質(zhì)量阻尼器的減震性能將迅速降低。也有一些研究將結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的改變歸為土-結(jié)構(gòu)相互作用的原因。在研究中，將建筑上部結(jié)構(gòu)理想化為一線性單自由度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并將調(diào)頻質(zhì)量阻尼器調(diào)諧到該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)基礎(chǔ)固定頻率，通過建立二者的傳遞函數(shù)，模擬了土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)調(diào)頻質(zhì)量阻尼器減震行為的影響。模擬結(jié)果表明，土-結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)的動(dòng)力特性將隨著地基柔軟程度的增加而發(fā)生較為劇烈的變化。這兩個(gè)研究表明，調(diào)頻質(zhì)量阻尼器的正常工作主要取決于其頻率的正確設(shè)定，必須保證其頻率值與土-結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)頻率值相等，另外阻尼器的正常工作也受結(jié)構(gòu)周期和地基軟弱程度的影響。這些研究都是設(shè)定在土與結(jié)構(gòu)之間是線性關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，然而對(duì)一些地震，土與結(jié)構(gòu)之間的非線性關(guān)系可能也會(huì)改變土-結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)的頻率。在這種情況下，即使?jié)M足調(diào)頻質(zhì)量阻尼器的正常工作條件，也可能不會(huì)達(dá)到理想的控制條件。因此只有使用土-結(jié)構(gòu)非線性模型，才能更好地評(píng)價(jià)調(diào)頻質(zhì)量阻尼器的控制性能。另外，一些國(guó)際上的研究人士通過對(duì)防震橋梁的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土質(zhì)比較軟的時(shí)候，不管橋梁是什么類型的，都需要考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響。通過一些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土質(zhì)柔軟程度會(huì)影響著土-結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)整體的阻尼比，隨著土質(zhì)柔軟程度的增加，上部的阻尼比將明顯小于整體的阻尼比，也就意味著將明顯減弱阻尼器的減震效果。因此，對(duì)于地震的防護(hù)需要考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用，根據(jù)不同的地質(zhì)情況，應(yīng)選擇合適的粘彈性阻尼器類型以達(dá)到理想的減震效果。

二、主動(dòng)控制方面的分析

在考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用下不規(guī)則建筑振動(dòng)主動(dòng)控制方面，目前有兩種方法評(píng)價(jià)土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)控制性能的影響。第一種方法是在地基是剛性的前提下評(píng)價(jià)受控結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；第二種方法是把土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響考慮到控制算法中。目前的計(jì)算機(jī)水平可以實(shí)現(xiàn)這兩種控制算法，但是在數(shù)值模擬研究上，第一種方法易于第二種方法的實(shí)現(xiàn)。計(jì)算得到的數(shù)值可以直觀地反映控制器可以達(dá)到的性能，以確定是否采用這種主動(dòng)控制算法。

在地基是剛性的前提下評(píng)價(jià)受控結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)需要構(gòu)建土-結(jié)構(gòu)相互作用體系的方程。在這個(gè)方程中，將土-結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)基頻處的土阻抗函數(shù)項(xiàng)定為土阻抗函數(shù)的剛度以及阻尼系數(shù)，然后轉(zhuǎn)化為該系統(tǒng)整體的質(zhì)量和阻尼矩陣，最后把建筑上部結(jié)構(gòu)和地基的整體位移和速度定為狀態(tài)變量。顯然，這種方法是在一定時(shí)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真的。這種主動(dòng)控制的研究表明，當(dāng)?shù)鼗容^柔軟時(shí)，不規(guī)則建筑振動(dòng)實(shí)施主動(dòng)控制時(shí)特別要考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響。例如，運(yùn)用這種方法對(duì)日本的某一個(gè)公路橋進(jìn)行主動(dòng)控制研究，研究中采用了主動(dòng)控制策略研究了土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)主動(dòng)控制的影響。數(shù)據(jù)仿真表明，這種前提是地基是鋼性的控制設(shè)計(jì)僅僅適用于剪切波速處于有限范圍內(nèi)的土；一旦地基變得比較柔軟時(shí)，這種主動(dòng)控制的性能將變得很差。另外一些研究也表明，當(dāng)剪切波速變化時(shí)，控制效果也會(huì)發(fā)生較大變化；地基比較軟時(shí)，效果可能會(huì)更差；在最近的一些研究中，有些學(xué)者提出將混合驅(qū)動(dòng)器、阻尼、支撐控制部分構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)由具有粘彈特性的阻尼器和作為控制器的液壓?jiǎn)?dòng)器所組成。這個(gè)裝置需要安裝在樓層之間。在這個(gè)裝置中可以采取一種智能控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)以最大限度地阻尼器來減少主動(dòng)能量的消耗。這種裝置有兩種門檻值，第一門檻值是響應(yīng)小震或者中震得作用，但是當(dāng)大震作用時(shí)，第一門檻值是無法滿足要求的，在這種情況下，控制部分會(huì)產(chǎn)生主動(dòng)力與阻尼器共同響應(yīng)，以使其維持在第二門檻值。這種裝置主要是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器來生成主動(dòng)力來減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)。在數(shù)據(jù)模擬中，通過仿真地震波作為地震激勵(lì)來考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)該種裝置的有效影響。通過不同層的機(jī)構(gòu)驗(yàn)證了智能策略設(shè)計(jì)的有效性。同時(shí)也表明，這種裝置的智能設(shè)計(jì)部分在對(duì)于柔軟地基的控制需要首先考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用。不過，在一些時(shí)域的分析中，目前還必須將土阻抗函數(shù)中的相關(guān)動(dòng)力鋼度轉(zhuǎn)化為不相關(guān)，并將在這里的阻尼和鋼度的系數(shù)均取自于土-結(jié)構(gòu)相互作用下系統(tǒng)中的對(duì)應(yīng)函數(shù)項(xiàng)。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)不規(guī)則建筑振動(dòng)主動(dòng)控制方面會(huì)有一定的影響，體現(xiàn)在土的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的剛度、地基深度的對(duì)主動(dòng)控制的影響。

三、半主動(dòng)控制方面的分析

在最近的一些研究中，相對(duì)于不考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用，安裝MR阻尼器對(duì)于地震響應(yīng)會(huì)有很大程度的減少。這也就說明，當(dāng)?shù)鼗容^軟的時(shí)候，建造高層建筑不考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用設(shè)計(jì)MR阻尼器會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。分析可知，這種響應(yīng)的減少可能是由于兩者共同造成的，既有土質(zhì)的原因，也有這種阻尼器的影響。一些學(xué)者擦用響應(yīng)譜研究方法，對(duì)土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)MR阻尼器減震性能的影響。結(jié)果表明，若不考慮MR阻尼器對(duì)土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響，可能會(huì)結(jié)構(gòu)的控制產(chǎn)生消極影響。

結(jié)語(yǔ)：

本文主要是分別從被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制三個(gè)方面綜合分析了在考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用下不規(guī)則建筑振動(dòng)的控制問題。其中，重點(diǎn)論述了土-結(jié)構(gòu)相互作用下不規(guī)則建筑振動(dòng)主動(dòng)控制下的問題，主動(dòng)控制包含兩種方法，第一種方法運(yùn)用比較廣泛，對(duì)于該種方法的研究也比較全面?？偟膩碚f，考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用下不規(guī)則建筑振動(dòng)的控制分析問題對(duì)于研究地震響應(yīng)和損傷以及減少經(jīng)濟(jì)損失具有深遠(yuǎn)意義，有待于更多學(xué)者繼續(xù)深入研究，也值得更多學(xué)者去研究。

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