NES在结构抗震中的应用与探讨★

杨海旭 董 尘

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

NES在结构抗震中的应用与探讨★

杨海旭 董 尘

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

介绍了非线性能量阱(NES)的原理，主要对NES在基础隔震及层间减震中的应用技术进行了研究，指出NES是一种新型的非线性吸振器，具有结构简单、可靠性高、工程造价低等特点，应用前景广阔。

NES，非线性吸振器，抗震，结构

0 引言

近些年国内外发生破坏性较大的地震灾害已屡见不鲜，这严重威胁着我们人类赖以为生的建筑物及构筑物，如何提高其抗震安全性来满足我们的要求显得尤为重要[1]。在传统的抗震方法中，地震能量的消耗往往都是通过主体结构本身的非弹性状态来消耗的。由于设计烈度的欠准确性和结构非弹性破坏机理的复杂性，导致传统抗震方法的不安全及应用的局限性[2]。因此,新型抗震技术的应用和推广成为了十分重要的发展方向。

结构被动减震控制是指在结构的某个部位，安装特定参数的装置，如橡胶隔震支座、各种耗能器、质量调谐装置等，用来“阻隔”地震波向上部结构传播，改变结构体系的动力特性，或消耗输入结构内的地震能量，从而达到减震的目的[2]。被动控制系统不需要外部能量输入，结构简单，成本低，易于维护，其中大部分是基于工程现场的一般特性来确定控制装置的参数。

1 NES的原理与研究

NES是一种可实现靶能量传递(Targeted Energy Transfer，TET)的振动被动抑制装置，从2001年靶能量传递现象被发现之后，一些学者陆续对NES进行了大量的研究[4]。NES与传统的减振装置相比，是由传统的动力吸振器中引入非线性发展而来的新型减振装置，近几年来，由动力吸振器演变而来具有自身独特优点的振动抑制方法。NES指的是一种振动被动抑制装置，装置中的附加质量块通过强非线性刚度以及粘性阻尼连接于主结构。通常情况下，NES中的附加质量块相对于主结构是非常小的，但由于强非线性刚度，使得原有系统的力学性能发生了非常显著的改变，从而使振动能量通过靶能量传递的方式迅速聚集在NES振子中，并通过阻尼在NES振子中消散。

如图1所示，是单自由度NES连接主结构实现靶能量传递的示意图，主结构部分可以是线性或非线性的，在各种外界激励下(如脉冲激励、正弦激励、随机激励等)，主结构会产生一定的振动，振动能量通过强非线性刚度k1传递至NES并通过阻尼c1耗散实现振动能量的衰减。在整个耗散过程中，只有一小部分的振动能量会返回到主体结构。

2 NES在结构抗震中的应用

结构控制中的隔震是建筑物抵御地震的有效措施，理论和实践均表明与非隔震结构相比良好设计下的隔震结构会降低1度～2度的设防烈度[5]，并且设置有隔震装置的建筑物空间布置更灵活，更符合现代建筑的设计思想，在强震作用下能够保护建筑物及其内部设备的安全，具有良好的社会效益和经济效益。

动力吸振器在工程领域中有着非常广泛的应用，这都归功于动力吸振器在振动的被动抑制方面，具有自己独特的优势，而且这种振动抑制设备简单易用。但是动力吸振器也有很大的局限性，因为它通常只在一个特定的频率附近有效。直到20世纪中期，Roberson在动力吸振器中加入了非线性刚度，增加动力吸振器的吸振带宽，使得动力吸振器的吸震性能得到了显著的提升。自此，学者们开始关注非线性动力吸振器。工程中，由于非线性现象非常的复杂变得非常难以分析，常常被视为是有害的，但是随着对非线性现象认识的增加，很多学者开始热衷于利用丰富和复杂的非线性现象进行吸振器的分析和设计[4]。

2.1 NES在基础隔震中的应用

传统的摩擦摆只能吸收频率在一定范围内的地震波，研究人员虽对其进行多方面的改进，但始终未能克服其在近断层伴有长周期脉冲型地震波(具有强方向性、包含有明显的长周期速度和位移脉冲较大的峰值加速度等特征)作用下发生低频共振的缺陷。我们将传统的摩擦摆隔震支座进行优化升级，把摩擦摆和NES有机的结合起来，组成复合式摩擦摆，并将其应用于抗震减灾隔震设计中，这样能够尽可能多和尽可能快地减弱由地震赋予结构的冲击能量的负载和诱发的振动，衰减消耗不同方向的地震能，抑制长周期地震波的影响，减小地震产生的加速度及位移等。

将摩擦摆支座和NES进行合理组合如图2所示，该系统设计包括1个滑动凹面、1个独立的摩擦摆机制、1个滑动关节。通过选择球面曲率和每个滑动凹面的摩擦系数即可依据大震和设计地震反应来设置摆动的阶段及周期。滑动面中，在某一临界位移范围内设置固定的曲率半径，当支座的位移大于临界位移时，滑动面就成了一个倾斜的平面，隔震周期即变成无限大，亦即不存在共振周期。

2.2 NES在层间减震中的应用

层间隔震技术是一种新型隔震结构形式，是在基础隔震结构的工程实践中发展的，是对基础隔震结构的一种拓展。基础隔震的隔离层只能布置在结构的底部，层间隔震的隔震层的设置可以根据结构本身的特点，灵活布置，突破了基础隔震结构的隔震层只能布置在结构底层的限制，更便于满足施工和使用的要求。它开辟了一个隔离技术应用的新途径。将NES吸振器布置于结构的层间，当地震发生时，由于NES吸振器的靶能量传递特性，地震产生的能量不可逆的由结构传入NES吸振器中，由于NES的非线性，能量在没有特定的频率的NES振子间剧烈传递，它可以产生很多有限个非线性共振频率，通过自身阻尼调节，耗散地震能量，从而保护主体结构构件的安全。

3 结语

NES作为一种新型的非线性吸振器，其研究历史仅仅只有十几年，但由于其结构简单，可靠性高，并且有良好的振动抑制效果，通过降低主体结构的抗震措施的方法降低工程造价，从而降低地震损失。在学者的研究中，进一步的了解NES的振动原理，从而使NES能够更有效的应用于结构中，减少地震作用对结构的破坏，NES在结构抗震中具有非常广阔的应用前景。

[1] 胡聿贤.地震工程学[M].北京:地震出版社,1988.

[2] 刘文峰.结构控制技术及最新进展(上)[J].世界地震工程,1997(4):36-40.

[3] 王兴国,张 松,苏幼坡.单层FPS隔震结构的平移—扭转耦合性能分析[J].地震工程与工程振动,2006,26(3)：19-20.

[4] 张也弛,孔宪仁.非线性耦合振子间产生靶能量传递的初始条件[J].哈尔滨工业大学学报,2012,44(7):21-28.

[5] 邓雪松,龚 健,周 云.变曲率摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟[J].土木建筑与环境工程,2011,33(1):50-59.

Application and discussion of NES in the structure seismic resistance★

Yang Haixu Dong Chen

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The paper introduces NES principles, mainly studies the application technology of NES in base-isolation and interlayer seismic isolation, and points out that: NES is a kind of new nonlinear vibration absorber, which is simple in structure, high in reliability, and low in engineering cost. Therefore, it has wide application prospect.

NES, nonlinear vibration absorber, seismic resistance, structure

2015-08-22★:黑龙江省自然科学基金(项目编号：E2015057)

杨海旭(1973- )，女，博士，副教授； 董 尘(1991- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)31-0030-02

TU352.11

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