淺談建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減振和振動(dòng)控制

吳嘉強(qiáng)

（重慶中科建設(shè)（集團(tuán)）有限公司，重慶 401120）

一、建筑結(jié)構(gòu)的隔震與消能減振原理分析

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)以“小震震不壞、設(shè)防烈度可修、大震震不倒”為建筑設(shè)計(jì)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，建筑結(jié)構(gòu)主要依靠其結(jié)構(gòu)變形吸收、消耗地震帶來(lái)的能量。按這種設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)在遇到小、中型地震時(shí)，依賴結(jié)構(gòu)吸收、消耗地震帶來(lái)的能量具有可行性。這種建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)雖然采取嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，但在遇到超過(guò)設(shè)計(jì)所能抵抗的大地震時(shí)，仍不能保證建筑結(jié)構(gòu)的安全。這也使得很多專家致力于尋找在各方面優(yōu)于傳統(tǒng)建構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新體系。

（一）建筑結(jié)構(gòu)的隔震原理

基礎(chǔ)建筑結(jié)構(gòu)的防震體系通過(guò)對(duì)隔震層得設(shè)置，將建筑結(jié)構(gòu)分為三部分：上部結(jié)構(gòu)、隔震層、下部結(jié)構(gòu)。這樣由地震釋放出的能量先經(jīng)下部結(jié)構(gòu)傳輸?shù)礁粽饘?，再由隔震層隔震裝置吸收、消耗大部分地震能量后，將僅有的少部分地震能量上傳到上部結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)隔震層的設(shè)計(jì)改變了建筑上部結(jié)構(gòu)的周期，從而降低了上部結(jié)構(gòu)對(duì)地震的反應(yīng)，進(jìn)而確保了上部結(jié)構(gòu)即使在遇到強(qiáng)烈地震時(shí)也仍處于彈性狀態(tài)，甚至能保持在自然彈塑性變形的初期狀態(tài)。

（二）耗能減振結(jié)構(gòu)原理

耗能減振結(jié)構(gòu)，是指在建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件中，通過(guò)設(shè)置耗能部件來(lái)實(shí)現(xiàn)耗能減振的。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)承受地震帶來(lái)的能量時(shí)，耗能裝置和耗能部件通過(guò)產(chǎn)生彈塑性來(lái)滯回變形，從而，吸收、消耗地震帶來(lái)的巨大能量，減少主體建筑結(jié)構(gòu)受地震巨大能力的影響，進(jìn)而達(dá)到減振、控震目的，這與傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)“硬碰硬”思想相反，它屬于“以柔克剛”，在后面筆者還會(huì)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

二、建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制技術(shù)

傳統(tǒng)建筑抗震設(shè)計(jì)，主要利用結(jié)構(gòu)自身來(lái)吸收、消耗地震帶來(lái)的能量以滿足設(shè)防抗震的標(biāo)準(zhǔn)，雖然能在遇到較小地震，起到比較好的效果，但毫無(wú)疑問(wèn)這是一種比較消極被動(dòng)的抵抗地震的方法?？茖W(xué)有效的抗震方法是通過(guò)采用結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)來(lái)達(dá)到抗震目的，即通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)本身施加振動(dòng)控制系統(tǒng)，讓其與結(jié)構(gòu)本身一同發(fā)揮抗震作用，以減輕建筑結(jié)構(gòu)的抗震反應(yīng)。建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制分為主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制、被動(dòng)控制和混合控制。

（一）被動(dòng)控制

被動(dòng)控制是指不需要借助外部力量的振動(dòng)控制技術(shù),它通過(guò)在建筑結(jié)構(gòu)的某個(gè)空間部位添加子系統(tǒng)，或通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)自身構(gòu)件構(gòu)造上的處理,來(lái)改變結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性。被動(dòng)控制是目前結(jié)構(gòu)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn),很多被動(dòng)控制技術(shù)也已日趨成熟完善,在實(shí)際操作中應(yīng)用廣泛。被動(dòng)控制從其控制機(jī)理上來(lái)看可分為兩大類：基礎(chǔ)隔震與耗能減震。

1、基礎(chǔ)隔震基礎(chǔ)隔震技術(shù)就是指在建筑物或者構(gòu)筑物基底上通過(guò)設(shè)置控制機(jī)構(gòu)，隔離地震能量向上的傳輸,減少結(jié)構(gòu)自身受地震的振動(dòng)影響，以防止地震帶來(lái)的破壞。目前主要研究的基礎(chǔ)隔震技術(shù)有:摩擦滑移隔震、夾層橡膠墊隔震、滾珠及滾軸隔震、支撐式擺動(dòng)隔震技術(shù)以及混合隔震等。縱觀近年來(lái)隔震技術(shù)的發(fā)展,發(fā)現(xiàn)隔震技術(shù)的特點(diǎn)如下：

a、隔震技術(shù)應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣,它不僅在新建建筑項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛,而且在對(duì)現(xiàn)有建筑進(jìn)行加固的工程中也得到了普遍認(rèn)可。b、隔震建筑設(shè)計(jì)形式日趨多樣化,從早期主要應(yīng)用在砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中發(fā)展到木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)中。c、隔震技術(shù)可供人們選擇的隔震裝置日趨多樣化,而且新的隔震方法被人們不斷提出,混合隔震技術(shù)的采用已成趨勢(shì)。

2、耗能減震

耗能減震，具體來(lái)說(shuō)就是把建筑結(jié)構(gòu)的某些地方如：空間、層間、連接縫和節(jié)點(diǎn)等，安裝上消能裝置。這樣在有小風(fēng)或者小震發(fā)生時(shí)，這些消能裝置與建筑結(jié)構(gòu)一起工作，讓結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，滿足正常情況下的使用要求。在遇到大風(fēng)或大震時(shí)，伴隨建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的加大，消能裝置能夠產(chǎn)生較大的阻尼，從而大量吸收、消耗輸入建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)振或地震能量，進(jìn)而讓建筑結(jié)構(gòu)所吸收的變性能或動(dòng)能以熱能的形式散發(fā)出去，能夠迅速減少建筑結(jié)構(gòu)受大風(fēng)或大震影響帶來(lái)的反應(yīng)，保持建筑整體結(jié)構(gòu)較好的彈性狀態(tài)。目前,經(jīng)常采用的耗能裝置有:摩擦耗能減震裝置、粘滯阻尼器、金屬阻尼器和復(fù)合型耗能器。經(jīng)過(guò)研究和實(shí)際采用發(fā)現(xiàn)這種減振技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):

a、安全，依靠耗能裝置可以大量吸收、消耗地震能量,從而達(dá)到保護(hù)建筑主體結(jié)構(gòu)的目的。b、經(jīng)濟(jì)，采取這種柔性耗能方式可大量減少剪力墻的數(shù)量、減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋和斷面。c、合理，通過(guò)耗能裝置可以有效耗散能量，減輕地震反應(yīng)。d、適用范圍廣、維護(hù)費(fèi)用低。

（二）主動(dòng)控制

主動(dòng)控制與被動(dòng)控制有明顯的不同，它是需要借助外部力量的一種減震控制技術(shù),通過(guò)施加與外來(lái)振動(dòng)相反方向的控制力，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減震控制。其工作原理是這樣的:首先，傳感器對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)與外部刺激進(jìn)行檢測(cè)；然后將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；再次，由計(jì)算機(jī)根據(jù)程序給定的算法計(jì)算出應(yīng)施加力的大?。蛔詈?由外部能源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生控制系統(tǒng)所需的力。目前主要研發(fā)的主動(dòng)控制裝置有:主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、主動(dòng)支撐系統(tǒng)、主動(dòng)拉索系統(tǒng)、氣體脈沖發(fā)生器等。

（三）半主動(dòng)控制

半主動(dòng)控制是通過(guò)利用控制機(jī)構(gòu)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)建筑結(jié)構(gòu)在地震中的參數(shù)，來(lái)達(dá)到減震目的,其對(duì)外部力量的需求很低,不需用強(qiáng)電,只由弱電(如蓄電池)就能完成。半主動(dòng)控制通常采用開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)的操作來(lái)改變控制系統(tǒng)的工作狀態(tài),進(jìn)而改變建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。目前較典型的半主動(dòng)控制的裝置有:可變剛度系統(tǒng)、主動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、可變阻尼系統(tǒng)和可控摩擦式隔震系統(tǒng)等裝置。

（四）混合控制

混合控制是對(duì)主動(dòng)控制與被動(dòng)控制的聯(lián)合運(yùn)用?；旌峡刂葡到y(tǒng)利用了主動(dòng)控制與被動(dòng)控制的綜合優(yōu)點(diǎn),它既能通過(guò)被動(dòng)控制裝置耗散大量地震能量,也能有效利用主動(dòng)控制裝置來(lái)保證控制的效果,因此混合控制有著良好的建筑工程應(yīng)用價(jià)值。

混合控制裝置有以下幾種:主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)與調(diào)諧液體阻尼系統(tǒng)結(jié)合形成的混合控制；主動(dòng)控制裝置與阻尼耗能裝置結(jié)合的混合控制裝置；基礎(chǔ)隔震與主動(dòng)控制裝置相結(jié)合的混合控制等。

（五）對(duì)四種控制技術(shù)的綜合分析

主動(dòng)控制在四種控制技術(shù)中,效果是最好的,但因建筑結(jié)構(gòu)體型巨大，導(dǎo)致所需的外部能源需求較大,再加上其控制裝置的程序算法較復(fù)雜,其應(yīng)用程度明顯少于另外三種控制技術(shù)。被動(dòng)控制的造價(jià)低廉,其減震效果也良好,且易實(shí)現(xiàn),是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的控制技術(shù)。半主動(dòng)控制其介于被動(dòng)控制和主動(dòng)控制之間,這種控制的精確度比較高,造價(jià)與主動(dòng)控制相比相對(duì)低謙,加之不需要較大的外部動(dòng)力源,其具有較廣闊的應(yīng)用前景。混合控制則綜合了多種控制的優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用和發(fā)展前景自然較為廣闊。

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)隔震、減振及振動(dòng)控制的研究在中國(guó)有著廣泛的應(yīng)用，它也會(huì)帶來(lái)中國(guó)建筑結(jié)構(gòu)抗震消能減振的設(shè)計(jì)風(fēng)暴，為了更好地解決這些建筑問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)必須加大對(duì)強(qiáng)震下的建筑結(jié)構(gòu)控制規(guī)律進(jìn)行探索、尋求低造價(jià)、施工方便且穩(wěn)定性、可行性各方面最科學(xué)的組合。

結(jié)語(yǔ)：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對(duì)抗震知識(shí)理論的不斷完善，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震加固、減振的方法越來(lái)越多,相信在不斷探索下，建筑結(jié)構(gòu)定能符合人們對(duì)其安全性、耐久性和舒適性的要求。

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