工程结构基于性能的抗震设计方法研究

[关键词] 工程结构； 抗震； 设计方法

    随着国民经济的飞速发展，国家交通事业也随之不断进步，城市交通网络的不断发展使城市工程、景观工程也日益增多。近些年来，工程不断向“轻”、“新”二字的发展方向建设，采取新颖的结构形式，使用轻型建筑材料，促进工程不断向轻柔、大跨、空间结构的方向发展。但是随着工程的质量的降低、阻尼的减小，其自振频率也不断减小，使结构对人行荷载激励越来越敏感，容易产生工程共振现象，这种工程振动工程上行人的走行舒适度具有严重的影响，甚至使行人产生心理恐慌。工程的人致振动问题越来越引起关注。行人引起的工程振动主要有两种，即竖向振动和侧向振动。由于近几十年工程才得到快速发展，在前些年，工程的侧向振动问题没有凸显，工程界也一直没有引起足够的重视。直到近些年，发生了一些行人造成的工程侧向振动使用性问题，工程侧向振动问题才逐渐引起工程界的关注。 

　　1 工程人行荷载步行力测量 

　　测量单人的步行力是很多学科研究的内容，主要是通过大量的行人在测力台上或者走步机等相似的仪器上行走试验研究，记录行人的步行力的动荷载时程曲线，并对此时程曲线进行分析出其参数特征。最开始对于单人步行力的研究不仅仅是为了研究工程振动，主要还是为研究大型商场和大型体育场看台中人群产生荷载下的结构动力性能，一般采用固定于地面的侧力台或走步机对单人步行力作为测量，如Harper等（1961）最早用测力台测量单人步行力的竖向力和水平力，后来Andriacchi则利用测力板测量单人步行力在三个分量上的时程曲线，而针对于除正常行走其他的行走情况，Galbraith&Barton（1970）将慢跑到跑步各个状态下的单人步行力的竖向力利用了测力台进行相应的测试，得出了相关结论。 

　　Jacobs（1972）在楼板上测量出单人的步行竖向力，Kerr&Bishop研究轻型楼梯的人致振动时，采用了测力台对单步竖向力进行了测试。测量其他的运动，比如跑步、跳跃等产生的激励和测量步行力的方法一致，同样是采用测力台进行。由于步行力荷载的复杂性和对很多因素的依赖性，不同的学者在各自的步行力测试中都取得不同的研究成果，但是往往测步行力试验都是针对于步行力竖向分量的测量，对于侧向步行力分量的测量的研究比较少，这也是因为大部分的人致振动都是由竖向振动引起的。 

　　2 各国现行抗震设计规范 

　　2.1 BS5400 

　　英国规范BS5400适用于工程的设计和施工，是最早提到工程振动使用性问题的规范之一。BS5400的每一部分都有相应的BD规范辅助实现。在工程的设计方面，目前主要有两套BD规范。其中BD29/04规范对工程的设计标准进行了规定，BD37/01规范对作用于工程的荷载进行了规定。BD29/04规范从工程的设计标准方面着手，要求设计者充分意识到工程对人行荷载的敏感性。特别是发生人群同步现象时，更应该认真考虑。当工程的竖向固有频率低于5Hz，而侧向固有频率又低于1.5Hz时，在人群同步荷载的作用下，其振动问题尤为突出。此规范并没有给出侧向最大加速度的计算方法。 

　　2.2 欧洲规范 

　　欧洲规范EN1990以工程结构设计为基础，规定以可接受的工程最大加速度来确定行人舒适性指标EN1990 Eurocodel中的第2部分定义了公路工程、桥梁工程和铁路工程设计时的荷载模型。规定：工程主跨结构根据结构的动力特性，即相应固有频率的不同，应采用不同适当的结构模型。另外人行荷载频率如果与工程的某阶频率相同，导致共振响应时，应验证共振时的极限振动状态。最后Eurocodel指出设计时应该定义合适的人行荷载动力模型，以及相应的舒适度指标。 

　　2.3 Bro2004 

　　Bro2004为瑞典国家道路管理部门颁布用于工程设计施工的通用技术规范。规定工程竖向的固有频率应该大于3.5Hz，否则需验证其振动适用性。如果竖向的固有频率小于或等于3.5Hz，工程任意位置竖向加速度的平方根RMSα≤0.5m/s2。Bro2004对于工程竖向加速度可通过简化的单自由度动力分析方法求解。对于复杂的工程，需采用电脑编程分析求解。 

　　2.4 德国规范EN03 

　　德国工程设计指南EN03吸收了2000年以来的新的研究成果，采取工程自振频率与行人承受的峰值加速度限值相结合的方法规定舒适度等级。按照这一方法，动力设计应首先验算工程自振频率是否在竖向1.25～2.3Hz、侧向0.5～1.2Hz的振动敏感频率范围之内。若在这一范围内，应根据不同行人稠密度等级确定动力荷载的行人密度，按相应的行人密度和指南建议的方法验算峰值振动加速度，并按表2-3的限值来判定竖向和横向振动的行人舒适度。 

　　BS5400提出的荷载模型只适用于结构的竖向振动，不能应用于侧向。ISO10137模型只适用于单人荷载。Eurocode荷载模型只适用于比较简单的结构，复杂结构的荷载模型由设计者决定。Bro2004荷载模型只适用于竖向振动，对侧向工程人致振动分析振动，既没确定荷载模型，也没规定设计标准。EN03规定的方法对竖向和侧向振动都适用。 

　　3 工程结构基于性能的抗震设计方法 

　　3.1 调质阻尼器（TMD） 

　　调质阻尼器（TMD）属于被动控制技术，它的装置是在结构顶部或上部某个位置加上加上惯性质量，它是在结构物顶部或上部某位置上加上惯性质量并用弹簧和阻尼器连接主体结构，TMD作为一种被动控制方式，因其构造比较简单，方便安装，维护方便，并且经济实用，不需外力作用，有着其它方法无法比拟的优点，因此在高层建筑风振控制、工程控制等领域得到重视，在很多生产实践当中得到应用。为了说明TMD的减振原理，首先见图5-1是TMD二自由度动力学模型，由二自由度的质量，弹簧，阻尼系统组成，用来简化TMD系统和主体结构的模型，并将激振力简化为一频率为ω的正弦荷载F=sinωt。通过适当的选取参数m2、C和k2，可以达到有效降低质量m，振幅的目的。 　　3.2 调液阻尼器（TLD） 

　　调频液体阻尼器（TLD）是一种典型的被动控制装置，利用结构上固定容器中液体的惯性和粘性耗能来减小结构振动，通常可与建筑顶部的储水装置结合使用。这种减振装置具有很多优点：经济实用，简单安装和拆卸，使用方便，使用时间很长，同时可以兼作消防水箱和减振装置使用，用途十分广泛。 

　　TLD是一种固定在结构上（一般为顶部）的矩形水箱，既可以是一个大型水箱，也可以是几个水箱的组合。当结构在风的作用下发生振动时将带动水箱一起运动，而水箱的运动会使箱中的水发生晃动，并引起表面的波浪，这种水和波浪对容器壁的压力差就构成了对结构的减振力。一般情况下，对于结构的某一振型发生振动时，通过适当调整水箱中水体的质量和晃动频率，即控制力的作用周期和大小，从而达到对结构减振的目的。 

　　3.3 粘滞阻尼器 

　　粘滞阻尼器（或称油阻尼器）的原理与构造如图4-3所示。我们知道，用水枪喷水时，如果要使水流越快或水的出口越小，需要的力也越强。粘滞阻尼器就是运用了这一原理。一般的粘滞阻尼器用钢制的油缸与活塞代替水枪筒与压杆。并在活塞上设置细小的油孔，代替水的出口。当油体通过狭小的阻尼孔时，阻尼器吸收的能量通过流体抵抗转换为热能。当油体通过的阻尼孔直径一定时，粘滞阻尼器的阻尼力大致与加载速度的2次方成比例。 

　　粘滞阻尼器是一种典型的速度型阻尼器。所谓速度型阻尼器就是速度直接影响阻尼器的阻尼力大小，粘滞阻尼器的滞回曲线呈规则的椭圆形，曲线由内到外加振速度依次增大，接近速度极限时，滞回曲线由椭圆逐渐变饱满。通过改变活塞的大小、阻尼孔的直径和油缸的长度，能够自由设定一个循环的能量吸收性能。 

　　3.4 TMD减振设置方案 

　　由人行结构工程人致振动仿真分析结果可知，侧向振动的最大加速度响应超过了舒适性指标，需要采取合适的减振措施。本文采用TMD减振装置，以控制侧向第1阶模态的TMD减振装置为例，说明TMD参数设计方法。根据模态分析结果，第1阶侧 

　　向振动模态的频率f=1.15Hz，相应的模态质量m*=51吨，TMD安装于侧向模态位移最大处即在主跨跨中，TMD的运动方向为横工程向。TMD的质量与第一阶侧向振动模态的广义质量比值取为6.0%。 

　　4 结语 

　　随着现在的公路工程不断采用高强材料，新的结构体系，施工工艺，工程也得到了很大的发展，重量越来越小，跨度越来越大，外形也越来越轻巧，但是同时也由于工程梁的刚度和质量以及阻尼的降低而带来了工程人致振动问题也越发明显，现在建立的许多工程也都面临着比较严重的人致振动问题，通过基于结构工程性能的计算研究，发现侧向振动更为明显，并针对工程人致振动问题提出几种可行的解决方案，认为在工程设计中以及成工程以后均可采取安装阻尼系统的措施。 

　　[参考文献] 

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　　[2] 庄和星，宋启根，吕令毅.钢框架梁柱非线性分析中的一种新单元[J].建筑结构.2005（08） 

　　[3] 姜锐.建筑结构基于位移的抗震设计方法研究[J].太原科技大学学报.2005（02） 

　　[4] 孙俊，刘铮，刘永芳.工程结构基于性能的抗震设计方法研究[J].四川建筑科学研究.2005（03）