基于小型振動臺實驗的輸電塔結構減隔震研究

王 浩

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

近年來，國內興建了許多輸電塔類型結構，該結構具有長周期特性，在水平荷載作用下易發生大變形，從而導致結構破壞，產生危害。而傳統減震方法主要考慮結構剛度和強度，弊端較多。研究表明：采用結構振動控制技術可有效減小輸電塔受到的地震作用，提高結構的抗震性能，意義重大。目前結構振動控制方法有基礎隔震和阻尼器減震等。其中，基礎隔震和調諧質量阻尼器減震在高聳結構振動控制技術中應用最廣泛[1]。

基礎隔震措施是指在基礎和結構底部之間安裝隔震設備，限制能量從基礎傳至上部結構。其原理是改變結構的基本周期，避開地震作用下地面運動的卓越周期，達到減小地震作用對上部結構影響的目的[2]。我國隔震技術發展已經很成熟，在高層建筑、公路、橋梁等方面得到廣泛應用。

調諧質量阻尼器（TUNED MASS DAMPER,TMD），又稱動力吸振器，是結構被動控制措施的一種。主要用于抗風和人體舒適性，由主結構和附加其上的子結構（TMD）組成，其中子結構包括質量系統、剛度系統和阻尼系統等，具有質量、剛度、阻尼的綜合特性。目前，TMD 系統在我國結構振動控制領域已有廣泛應用，如臺北101 大廈等。但阻尼器在設計方面仍存在不足，如：TMD系統會增加結構質量，進而擴大地震作用[3]；TMD安裝位置受限；僅對結構某幾階振型有效。這些不足在一定程度上限制了TMD 的應用和發展。

在地震和強風作用下，輸電塔可能發生塔體傾斜、傾覆，構件破壞等，而當前輸電塔的減震控制方法主要是非線性錘擺吸振器、環形調節質量阻尼器等，這些方法主要是風振控制，對結構抗震方面研究較少。根據當前輸電塔在減隔震措施方面存在的不足以及調諧質量阻尼器本身缺點，搭建輸電塔模型進行相關研究。以模型為基礎，對比基礎隔震和安裝調諧質量阻尼器對地震波作用下結構振動控制效果的不同，研究質量、剛度、阻尼參數對調諧質量阻尼器減震效果的影響。

1 研究方案

為更好地控制輸電塔結構振動，采用基礎隔震和安裝調諧質量阻尼器兩種方法來進行分析。按照輸電塔結構形式，采用建筑結構設計思想設計一個小型模型，其概念設計圖見圖1。

圖1 輸電塔模型概念圖

根據概念圖選取合適材料搭建輸電塔，再利用輸電塔進行振動控制研究。對該塔施加不同的外部激勵，獲得不同的減震措施下的結構響應數據。對數據進行時域和頻域分析，了解不同措施對模型的減震控制作用。具體研究路線見圖2。

圖2 研究路線

2 模型的設計與制作

2.1 模型設計

為保證實驗結果準確性，設計過程要充分考慮相似性準則，要滿足幾何相似、物理相似和邊界條件相似，具體設計如下：輸電塔模型共分4 層，從下往上高為200 mm、150 mm、150 mm 和100 mm，頂部搭設高20 mm 的塔尖，層間用4 個X 形支撐，共計16 個。塔從底向上逐漸收分，4 個柱腳間尺寸為150×150 mm ；一層頂部4 個柱子間尺寸為100×100 mm，二層為80×80 mm，三層為60×60 mm，四層為50×50 mm ；連接柱子的橫梁各端向外伸出10 mm。4 根主要承力柱截面為3×6 mm，其余構件截面為3×3 mm，節點支架用膠水粘接。模型尺寸見圖3。采用竹條的材料參數為抗拉彈性模量27.60 GPa,抗拉強度547.68 MPa。

圖3 模型詳細尺寸（單位：mm）

2.2 模型制作

根據模型尺寸采用竹條進行搭建，共分六步。一，材料準備。包括3×3 mm 方形截面長度為1 m的竹條、膠水、模型墊板、小刀、剪刀、磨砂紙和記錄本；二，制作構件。按尺寸截取支撐柱、橫梁、X 形支撐長度；三，模型定位。在墊板上定位模型中心和柱腳位置；四，框架搭建。安裝支撐后搭設外部框架，形成整體框架；五，安裝X形支撐。每層柱子間安裝X 形斜撐，加固結構；六，完成模型。安裝塔尖、強化節點，完善模型。

3 實驗方案

采用兩種實驗方法研究不同減隔震法對高聳塔振動控制效果的影響。

3.1 基礎隔震實驗

日本學者河合浩藏認為先在地基上縱橫交錯放置幾層圓木，圓木上做混凝土基礎，再在其上蓋房，可削弱地震傳遞的能量[4]。按此思路，實驗制作了基礎隔震體系（見圖4）。以該體系為基礎進行實驗。先在結構上安裝加速度傳感器，用于加速度響應信號采集；將模型、圓木從上向下放在墊板上，再兩邊放置定位器，防止墊板運動距離過大；最后施加激勵并進行信號采集。人工在墊板上施加外部激勵，從而引起結構振動。實驗共包含三個工況：一為無隔振措施；二為設置4根滾軸；三在高聳塔上懸垂重物。分別測量、記錄模型一、二、三層在各工況下的加速度響應信號。

圖4 基礎隔震體系

3.2 調諧質量阻尼器實驗

采用細繩、砝碼和橡皮筋來組裝成TMD 系統，細繩模擬剛度系統，砝碼模擬質量系統，橡皮筋模擬阻尼系統。將細繩綁在結構上，與模型形成整體，然后粘貼在振動臺上，再裝上傳感器（見圖5），完成實驗前準備。

圖5 TMD 實驗

制定TMD 系統時需計算細繩長度，其長主要由模型固有頻率決定。采用 Welch 法來分析該塔固有頻率，得到模型的功率譜曲線（見圖6），通過峰值拾取得到該結構的第一階頻率為0.5 Hz。結合單擺公式（1）， 得到細繩長度為0.99 m，因實際情況無法滿足，最終決定細繩實際長度為13 cm。

圖6 點自功率譜幅頻曲線

此次振動臺實驗選用hollister 地震波，觀察初始現象，振動較小，再將地震峰值調整為0.4 g，地震波長為30 s。實驗前共制定16 個工況，每個工況又分為一、二層。實驗時采用傳感器采集響應信號，因振動方向結構響應較大，所以此次響應信號主要關注振動方向的加速度和角速度響應。

4 實驗結果分析

通過基礎隔震實驗和TMD 實驗獲得模型一至三層的加速度響應和角速度信號。對信號進行時域和頻率分析，研究不同措施的減隔震效果[5]。

4.1 基礎減隔震結果分析

設置傳感器采樣頻率為50 Hz，人為施加激勵，測得模型在一、二、三層運動方向的加速度信號。

4.1.1 時域結果分析

對響應信號進行時域分析。提取三種情況下的加速度響應極值分析控制效果，處理結果見表1。可發現增加減隔震措施后，除第一層外，二、三層的減隔震效果明顯增加，可達50%左右。可見，基礎隔震措施對結構振動控制具有較強效果。實際工程中可采用類似的基礎隔震措施，減小高聳結構的振動，從而起到保護結構安全的目的。

表1 減隔震效果分析

4.1.2 頻域結果分析

對測得的加速度響應信號采用Welch 法進行頻域分析，研究對應不同頻率時能量的大小，分析結果見圖7。從能量角度分析可發現，對于結構第一層，采用滾軸隔震減小結構振動能量，增加質量卻增加了結構振動能量。對于結構第二、三層，兩種減隔震措施明顯降低了結構振動能量，其中采用滾軸隔震效果最好。

圖7 各層自功率譜密度

4.2 TMD 實驗結果分析

TMD實驗采用振動臺施加激勵，每次振動30 s，傳感器采樣頻率為50 Hz，通過實驗獲得了模型施加激勵方向的加速度響應信號和角速度信號，對其進行時域和頻域分析。

4.2.1 時域結果分析

以實驗測得的加速度響應信號為基礎，按照TMD 質量的不同對其進行分類匯總，發現不同形式的細繩以及質量會對結構振動控制起不同效果。提取各工況的加速度響應極值進行對比（見表2），可發現：尼龍絲工況，10 g 時隔振效果最好，一層效果達6%，二層達15% ；尼龍絲加橡皮筋工況，5 g 時隔振效果最好，一層效果達5%，二層達12% ；細鋼絲工況，20 g 時隔振效果最好，一層效果達2.3%，二層達11%。再對角速度極值進行分析（見表3），可發現TMD 裝置未對一層起減隔震作用，對二層起一定的作用。

表2 模型在不同TMD 下的一、二層加速度信號

表3 模型在不同TMD 下的一、二層角速度信號

4.2.2 頻域結果分析

根據上節得到的最優振動工況進行頻域分析。最優工況為掛繩尼龍絲、砝碼10 g ；掛繩尼龍絲加橡皮筋、砝碼5 g ；掛繩細鋼絲、砝碼20 g，采用Welch 法進行自功率譜分析。可發現，采用適當的TMD 系統能一定程度降低結構振動能量，但與基礎隔震措施相比降低較少。可見采用TMD 措施不如基礎隔震對輸電塔結構振動控制效果強。

4.3 實驗結果對比分析

通過對比基礎隔震和調諧質量阻尼器對輸電塔的振動控制效果可發現，雖然人為激勵每次施加會有所區別，但基礎隔震措施對第二層的振動控制效果達56%，對第三層的控制效果達47%。調諧質量阻尼器實驗每次施加的外部激勵相同，選擇較為合適的TMD 系統，一層隔振效果達6%，二層效果達15%。可見采用基礎隔震措施比安裝調諧質量阻尼器更能達到最優的振動控制效果。

5 結論

通過搭建輸電塔模型，并以此為基礎，采用基礎隔震和安裝調諧質量阻尼器進行結構振動控制，施加人為激勵和地震激勵研究不同措施對結構振動控制效果，發現：①從時頻域角度分析，兩種措施均對結構振動控制起一定效果，基礎隔震效果優于安裝調諧質量阻尼器。②采用基礎隔震，除第一層外，二、三層減隔震效果明顯增加，可達50%左右。③安裝調諧質量阻尼器，采用不同形式細繩和不同質量砝碼隔震效果有所不同，最優為尼龍絲工況，砝碼10g 時效果。④增加阻尼可適當降低TMD 質量，取得較好的減震效果。