机场塔台高而细,地震中常表现出明显的弯曲运动。黏滞阻尼器需要两端发生相对运动,才能有效消耗能量。如果安装位置的相对位移较小,装置的潜力就难以充分发挥。能否在有限空间里,把这点位移放大?

给阻尼器加一个放大运动的框架

论文研究框架千斤顶增强型黏滞阻尼装置,简称 FJ-EVD。它利用机构几何关系,把塔楼局部变形转换成更有利于阻尼器工作的相对运动。可以把它理解为一个运动转换器:外部框架发生变形,内部阻尼器获得更大的行程。

对于以弯曲变形为主的塔楼,这种转换有明确针对性。装置布置需要适应塔身的空间与跨层构造,让结构运动能够顺畅传到耗能元件。原图把塔楼与装置位置放在一起,展示了两者如何配合。

黏滞阻尼器的耗能与两端相对运动有关,局部行程较小时,即使塔顶位移已经明显,某个安装位置的装置仍可能参与不足。FJ-EVD 利用框架机构改变位移传递比例,让较小的外部变形转换成更明显的阻尼器运动。与此同时,机构也会向连接部位传递作用力,因此它的几何配置与阻尼参数要共同设计,使耗能效果和结构传力路径能够协调。

机场塔楼与 FJ-EVD 装置布置。机构把局部结构变形传递给黏滞阻尼器,提高装置参与耗能的程度。
图 1|机场塔楼与 FJ-EVD 装置布置。机构把局部结构变形传递给黏滞阻尼器,提高装置参与耗能的程度。 来源:原论文图。

放大多少,需要与塔楼一起调

研究开展非线性时程分析,改变装置相关参数,并考察不同频率特征、远场及脉冲型地震动下的响应。比较对象包括优化后的常规阻尼方案,以观察运动放大机构带来的控制差别。

响应面图可以看作一张调参地图:沿不同方向移动,表示改变不同设计参数;曲面的高低,对应所考察的结构响应。它让设计人员看到参数之间的共同作用,而不是把每一个参数孤立地增大或减小。

不同地震动的比较,是为了观察装置在不同运动节奏下怎样工作。远场记录可能包含较分散的往复振动,脉冲型地震动则会带来突出的运动脉冲;结构响应由这些输入与塔楼自身频率共同决定。将多类输入放入分析,可以看到某组参数的改善是否集中在某一种情景,以及塔楼位移、受力等指标是否同步变化,让调参从单次试算走向更完整的对照。

参数变化对应的结构响应面。曲面呈现参数组合与控制效果之间的关系,可用于寻找适合塔楼的配置。
图 2|参数变化对应的结构响应面。曲面呈现参数组合与控制效果之间的关系,可用于寻找适合塔楼的配置。 来源:原论文图。

让结构的变形成为装置的工作条件

算例表明,合理设计的 FJ-EVD 能改善塔楼振动控制,并具有紧凑布置的特点。效果来自结构、机构和阻尼器三者的匹配:塔楼提供运动,机构调整运动,阻尼器把运动能量耗散掉。

这项研究展示了减振设计的一种思路。除了选择多大的阻尼器,还可以思考怎样让现有的结构变形,更有效地驱动耗能元件。对空间受限、变形模式鲜明的高耸结构,这种思路具有工程吸引力。

响应面还帮助说明为什么装置设计需要寻找参数组合。提高某个参数,可能让一个指标改善,却让另一个指标变化不大;沿曲面观察,能找到控制效果随组合变化的趋势。本文把装置机构、安装位置和地震输入放在同一体系中比较,为工程设计提供了明确思路:先认识塔楼主要在哪里、以什么方式变形,再让装置的运动转换机制对准这些特点。