用动力减振器消减建筑结构在地震波激励下的随机振动响应

　　0 引 言

　　在建筑结构振动控制领域,动力减振器是一种很好的降低结构振动的方法[1,2]。国内外一些学者认为[3]:动力减振器只适合于减低确定性激励作用下结构的响应,或者说是结构的窄带响应;而在随机激励(如地震)作用下,由于外激励作用的频带比较窄,甚至是很宽的,所以动力减振器不能取得很好的减低效果。但笔者在研究中发现:尽管随机激励的频带较宽,但建筑结构因其自身的动力特性,其响应主要集中在少数几个低阶频率处,即建筑结构的响应主要是低阶响应,尤其是一阶响应。所以,笔者认为根据所给地震波数据,经过合理选择减振器参数,动力减振器能够减低地震波激励下建筑结构的随机振动。本文首先介绍了用于消减结构随机振动的动力减振器的设计方法,然后分别在多种地震波下进行计算机模拟以比较动力减振器在不同地震波激励下的减振效果。

　　1 动力减振器的设计

　　动力减振器的设计关键是减振器参数的选择,减振器参数选择的好坏直接影响到减振效果。在选择用于消减结构随机响应的减振器参数时,笔者认为应遵循以下两个原则:

　　原则1:当原结构在一给定地震波的作用下发生振动时,虽然输入地震波在较宽频带上均有作用,但原结构的最大振动(即共振)发生在结构的一阶自振频率处,所以在原结构上所加减振器的一阶自振频率应与原结构的一阶自振频率相接近,以便所加减振器有效发挥作用,以使原结构在加减振器后一阶自振频率尽量远离原有共振区,从而有效地降低结构的振动;

　　原则2:在结构发生最大振动的一阶自振频率处,如果输入地震波的加速度功率谱密度值较大,结构顶部位移功率谱密度值也较大;反之,如果输入地震波的加速度功率谱密度值较小,则结构顶部位移功率谱密度值也相应较小。所以在原结构上所加减振器应使结构的一阶自振频率发生变化后,输入地震波在结构一阶自振频率处的加速度功率谱密度值变小,从而达到增加减振效果的目的。

　　根据以上两个原则,设计减振器的具体过程应为:

　　1)求得原结构的一阶自振频率,然后根据原则1初选减振器参数。此时减振器应能取得一定的减振效果,但并不是很好;

　　2)在初选减振器参数的基础上,根据原则2进一步调整减振器参数,在原结构一阶自振频率附近尽量使输入地震波的加速度功率谱密度值变小,以取得更好的减振效果。但同时应注意所加减振器的自振频率不应与原结构一阶自振频率相差太远,以避免减振器不能有效地发挥作用。

　　下面举例说明减振器参数选择的过程及效果:

　　如图1所示三层剪切结构及上部所加的动力减振器,可简化为如图2所示的分析模型,其中m=500kg代表单层结构的质量,k=30000N/m代表单层结构的刚度,m^/代表减振器质量,k^/代表减振器刚度。地震波采用Kanai_Tajimi波[4],其加速度功率谱描述如下: