考虑土—结构相互作用下不规则建筑振动控制分析

朱嘉霖

摘要：当建筑物建造于比较软的地基之上，土-结构相互作用会导致土-结构相互作用体系的动力特性发生改变，以至于影响建筑振动的控制效果。因此，在分析建筑振动的控制时要考虑土-结构相互作用。本文主要是从土-结构相互作用下不规则建筑振动的被动控制、主动控制和半主动控制三个方面进行分析，综合论述了土-结构相互作用下不规则建筑振动的控制问题。

关键词：土-结构相互作用；振动；调频质量阻尼器；动力特性

土-结构相互作用对不规则建筑振动的影响主要体现在可以减小建筑结构的自振频率、滤掉地震中的激励成份、增大高层建筑的结构阻尼。土-结构相互作用对于建筑振动影响的好与坏主要是取决于地面运动的频率成分。当地面运动的频率接近建筑地基频率，土-结构相互作用对于建筑振动的影响将是有害的。对于建筑物较高地基较软的建筑，在计算结构地震位移时必须要考虑土-结构相互作用，因为二者与频率的平方成比例。另外，地震一旦发生，建造于土层上的建筑物的上部会受到来自于瞬时土层的地震响应将会很大。因此，在建筑物不规则振动的分析中应充分考虑土-结构相互作用的影响。本文分别从被动控制、主动控制和半主动控制三个方面综合分析了在考虑土-结构相互作用下不规则建筑振动的控制问题。

一、被动控制方面的分析

在考虑土-结构相互作用下不规则建筑振动被动控制方面，主要是研究土-结构相互作用对于调频质量阻尼器性能的影响。这里提到的调频质量阻尼器是一种由质块，弹簧与阻尼系统组成的能够通过改变结构共振性达到减震效果的装置。许多研究表明，当地基比较软的时候调频质量阻尼器对结构的减震效果不够理想。如果不将剪切波速作为影响因素，通过数值仿真发现，随着土质的柔软程度增加，调频质量阻尼器的减震性能将迅速降低。也有一些研究将结构动力特性的改变归为土-结构相互作用的原因。在研究中，将建筑上部结构理想化为一线性单自由度结构系统，并将调频质量阻尼器调谐到该结构系统基础固定频率，通过建立二者的传递函数，模拟了土-结构相互作用对调频质量阻尼器减震行为的影响。模拟结果表明，土-结构相互作用系统的动力特性将随着地基柔软程度的增加而发生较为剧烈的变化。这两个研究表明，调频质量阻尼器的正常工作主要取决于其频率的正确设定，必须保证其频率值与土-结构相互作用系统频率值相等，另外阻尼器的正常工作也受结构周期和地基软弱程度的影响。这些研究都是设定在土与结构之间是线性关系的基础上进行的，然而对一些地震，土与结构之间的非线性关系可能也会改变土-结构相互作用系统的频率。在这种情况下，即使满足调频质量阻尼器的正常工作条件，也可能不会达到理想的控制条件。因此只有使用土-结构非线性模型，才能更好地评价调频质量阻尼器的控制性能。另外，一些国际上的研究人士通过对防震桥梁的研究发现，当土质比较软的时候，不管桥梁是什么类型的，都需要考虑土-结构相互作用的影响。通过一些实验发现，土质柔软程度会影响着土-结构相互作用系统整体的阻尼比，随着土质柔软程度的增加，上部的阻尼比将明显小于整体的阻尼比，也就意味着将明显减弱阻尼器的减震效果。因此，对于地震的防护需要考虑土-结构相互作用，根据不同的地质情况，应选择合适的粘弹性阻尼器类型以达到理想的减震效果。

二、主动控制方面的分析

在考虑土-结构相互作用下不规则建筑振动主动控制方面，目前有两种方法评价土-结构相互作用对控制性能的影响。第一种方法是在地基是刚性的前提下评价受控结构的地震响应；第二种方法是把土-结构相互作用的影响考虑到控制算法中。目前的计算机水平可以实现这两种控制算法，但是在数值模拟研究上，第一种方法易于第二种方法的实现。计算得到的数值可以直观地反映控制器可以达到的性能，以确定是否采用这种主动控制算法。

在地基是刚性的前提下评价受控结构的地震响应需要构建土-结构相互作用体系的方程。在这个方程中，将土-结构相互作用系统基频处的土阻抗函数项定为土阻抗函数的刚度以及阻尼系数，然后转化为该系统整体的质量和阻尼矩阵，最后把建筑上部结构和地基的整体位移和速度定为状态变量。显然，这种方法是在一定时域内进行数值模拟仿真的。这种主动控制的研究表明，当地基比较柔软时，不规则建筑振动实施主动控制时特别要考虑土-结构相互作用的影响。例如，运用这种方法对日本的某一个公路桥进行主动控制研究，研究中采用了主动控制策略研究了土-结构相互作用对主动控制的影响。数据仿真表明，这种前提是地基是钢性的控制设计仅仅适用于剪切波速处于有限范围内的土；一旦地基变得比较柔软时，这种主动控制的性能将变得很差。另外一些研究也表明，当剪切波速变化时，控制效果也会发生较大变化；地基比较软时，效果可能会更差；在最近的一些研究中，有些学者提出将混合驱动器、阻尼、支撑控制部分构成一个系统。这个系统由具有粘弹特性的阻尼器和作为控制器的液压启动器所组成。这个装置需要安装在楼层之间。在这个装置中可以采取一种智能控制方式进行设计以最大限度地阻尼器来减少主动能量的消耗。这种装置有两种门槛值，第一门槛值是响应小震或者中震得作用，但是当大震作用时，第一门槛值是无法满足要求的，在这种情况下，控制部分会产生主动力与阻尼器共同响应，以使其维持在第二门槛值。这种装置主要是通过调节驱动器来生成主动力来减小结构响应。在数据模拟中，通过仿真地震波作为地震激励来考虑土-结构相互作用对该种装置的有效影响。通过不同层的机构验证了智能策略设计的有效性。同时也表明，这种装置的智能设计部分在对于柔软地基的控制需要首先考虑土-结构相互作用。不过，在一些时域的分析中，目前还必须将土阻抗函数中的相关动力钢度转化为不相关，并将在这里的阻尼和钢度的系数均取自于土-结构相互作用下系统中的对应函数项。数据结果表明，土-结构相互作用对不规则建筑振动主动控制方面会有一定的影响，体现在土的性质、结构的刚度、地基深度的对主动控制的影响。

三、半主动控制方面的分析

在最近的一些研究中，相对于不考虑土-结构相互作用，安装MR阻尼器对于地震响应会有很大程度的减少。这也就说明，当地基比较软的时候，建造高层建筑不考虑土-结构相互作用设计MR阻尼器会造成经济浪费。分析可知，这种响应的减少可能是由于两者共同造成的，既有土质的原因，也有这种阻尼器的影响。一些学者擦用响应谱研究方法，对土-结构相互作用对MR阻尼器减震性能的影响。结果表明，若不考虑MR阻尼器对土-结构相互作用的影响，可能会结构的控制产生消极影响。

结语：

本文主要是分别从被动控制、主动控制和半主动控制三个方面综合分析了在考虑土-结构相互作用下不规则建筑振动的控制问题。其中，重点论述了土-结构相互作用下不规则建筑振动主动控制下的问题，主动控制包含两种方法，第一种方法运用比较广泛，对于该种方法的研究也比较全面。总的来说，考虑土-结构相互作用下不规则建筑振动的控制分析问题对于研究地震响应和损伤以及减少经济损失具有深远意义，有待于更多学者继续深入研究，也值得更多学者去研究。

参考文献：

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