振动与冲击第29卷第3期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVo.l29No.32010基于负刚度原理的结构减震效果理论分析基金项目:国家自然科学基金资助项目(50708041)收稿日期:2009-02-16修改稿收到日期:2009-04-27第一作者纪晗女,博士生,1983年生通讯作者熊世树男,博士,教授,1965年生纪晗1,2,熊世树1,2,袁涌1,2,付杰1,2(1.华中科技大学土木工程与力学学院,武汉430074;2.华中科技大学控制结构湖北省重点实验室,武汉430074)摘要:在分析普通振动控制系统特点的基础上提出基于负刚度原理减震系统和负刚度阻尼装置的两种实现思路,并详细分析附加负刚度阻尼装置可以显著提高结构的减震效果。首先,利用结构附加刚度比率和附加阻尼比之比作为控制参数,通过理论推导单自由度正、负刚度减震体系的动力放大系数和传导比,讨论控制参数对二者的影响;然后,采用有限单元法分析正、负刚度减震体系结构的地震动力反应,通过结构的自振频率和位移、速度、加速度以及柱底剪力反应的分析,说明负刚度振动控制系统可以减少上部结构绝对加速度。分析表明,负刚度阻尼装置的负刚度可部分抵消原结构的正刚度,降低了结构的自振频率,提高结构阻尼,较大幅度地减少上部结构的动力响应,具有更好的减震性能。关键词:负刚度;减震系统;动力响应;减震效果中图分类号:TU317文献标识码:A目前结构振动控制技术中基础隔震和阻尼减振最为成熟,但几乎都在不同程度上增加了结构的刚度,这将造成结构的自振频率增大,加速度反应没有得到很好的控制。因此,不附加或降低结构刚度的控制思想即结构负刚度控制方法由此产生。国内外对负刚度控制系统的研究刚刚进入初步的理论阶段,且均是集中于隔震方面。Trimboli[2]和Pla2tus[1]最先提出将负刚度应用于机械隔震器,且负弹簧与正弹簧相并联组成隔震器降低刚度。S.T.Park[3]对这类隔振器的系统参数最优化设计从理论和试验两个方面进行了探讨。Mizuno[4]首次提出了正负刚度弹簧串联组成的零功耗磁悬浮主动隔震器,该隔震器可以同时减小地面振动和设备负载扰动,并在2002年设计了一个单轴设备用于试验研究[5-6],该设备证明了用体系的高刚度抵抗静态直接干扰的有效性。H.Iemu2ra[7]提出了负刚度结构振动控制方案,研制了负刚度阻尼构件(NSD),并与普通橡胶支座组合形成新型隔震系统,进而对其进行的振动台试验研究表明该隔震系统可以大幅度降低上部结构的相对位移和绝对加速度,而且可以很好地降低结构高频部分的地震反应。H.Iemura[8]提出了结构半主动拟负刚度控制(PNSC)系统,并用该系统分析了第二阶段桥梁结构振动控制的Benchmark问题,并与隔振控制、阻尼消能减震控制、已有的半主动控制系统和主动控制的控制效果相对比,结果显示结构半主动拟负刚度控制系统拥有比其余四者具有更好的控制效果。国内,张建卓[9,10]于2004年提出通过正负刚度弹簧并联实现超低频精密仪器隔振,并通过大量试验证明,并联负刚度弹簧后隔振系统固有频率从6Hz降低到0.75Hz,隔振能力明显提高,而土木工程减隔震研究的几乎没有。以上工作均是基于负刚度隔震,本文在阐明负刚度基本原理的基础上,以加有正、负刚度阻尼装置的单自由度减震体系和非减震体系为对象,理论上分析正弦激励下结构的动力反应,说明负刚度阻尼减震系统的优越性,并讨论刚度、阻尼变化对减震效果的影响;然后,以单层平面框架为例,采用ANSYS有限元软件分析结构的地震反应,进一步探讨负刚度阻尼减震装置的减震效果。1负刚度概念及实现方法111负刚度概念刚度K的基本概念为结构所承受的荷载增量dF和变形增量dx之比,即K=dF/dx。当荷载增量和变形增量方向相同时,二者之比为正值,即通常所使用的正刚度构件;当荷载增量和变形增量方向相反时,二者之比为负值,即本文所提到的负刚度构件。二者的荷载-位移曲线见图1。图1正、负刚度装置的荷载-位移曲线Fig.1Force2displacementrelationshipcurveofthepositivestiffnessinstallationandthenegativestiffnessinstallation112负刚度装置的实现思路目前,负刚度减振已在机械方面有些理论和试验研究,但其较小的承载力导致不能应用于建筑减震。鉴于此,在后续的研究中,本课题组提出采用两种思路实现负刚度减震:一是采用倒摆原理实现被动负刚度阻尼装...
