淺談建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減震和振動(dòng)控制

黃莉　劉薇

【摘 要】 隨著建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性要求也在不斷提高，近年來，各處地震頻繁，給國家、人民帶來了巨大的災(zāi)難，與之直接相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)抗震水平受到越來越多的重視。作者首先對(duì)當(dāng)代建筑結(jié)構(gòu)隔震、減震和振動(dòng)控制現(xiàn)狀和未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，然后介紹了現(xiàn)階段建筑結(jié)構(gòu)隔震隔震、減震和振動(dòng)控制技術(shù)，為保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)建筑行業(yè)發(fā)展提供理論支持。

【關(guān)鍵詞】 建筑結(jié)構(gòu)，隔震，減震，振動(dòng)控制，安全性

引言

近年來，我國地震災(zāi)害頻繁發(fā)生，給國家和人民帶來了很大的災(zāi)難，過去一直通過提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)來抵抗地震作用，但這種硬碰硬的方式往往帶來很多負(fù)面影響，而通過建筑結(jié)構(gòu)隔震、減震和振動(dòng)控制來以柔克剛，能夠起到很好的效果。隨著研究的深入，我國建筑結(jié)構(gòu)的防震體系逐步完善，隔震、減震和振動(dòng)控制技術(shù)也得到很大的提高。本文通過對(duì)隔震、減震和振動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并介紹了一些有效的新技術(shù)、新方法，為提高建筑結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性打下基礎(chǔ)。

一、建筑結(jié)構(gòu)隔震、減震和振動(dòng)控制現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

目前大多建筑工程仍采用傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)方式，缺乏對(duì)建筑結(jié)構(gòu)多的研究，往往只注重材料的選擇和優(yōu)美雅觀的結(jié)構(gòu)布置，單純的提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)，而忽視了建筑結(jié)構(gòu)空間的布置，也體現(xiàn)不了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)隔震、減震和振動(dòng)的控制，總之，傳統(tǒng)的抗震措施必須以一定的結(jié)構(gòu)損傷為代價(jià)來減小地震的作用，不能從各個(gè)方面區(qū)提高建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，另一方面，建筑結(jié)構(gòu)隔震、減震和振動(dòng)控制技術(shù)能夠減輕地震引起的結(jié)構(gòu)損傷，應(yīng)用還不普遍，有很大的發(fā)展空間。

當(dāng)前隔震、減震和振動(dòng)控制技術(shù)不是很成熟，會(huì)引起一些不利影響，未來隔震、減震和振動(dòng)控制研究中，將會(huì)在不同學(xué)科專業(yè)之間有更多合作和交叉研究，開發(fā)和推廣新技術(shù)、新裝置和新機(jī)構(gòu)，并與傳統(tǒng)建筑技術(shù)相結(jié)合，使結(jié)構(gòu)的安全保障系統(tǒng)成為智能結(jié)構(gòu)的組成部分，最大程度地降低地震作用給建筑結(jié)構(gòu)帶來的影響。

二、建筑結(jié)構(gòu)隔震、減震和振動(dòng)控制技術(shù)

（1）基礎(chǔ)隔震技術(shù)及其應(yīng)用

目前，最常用的的隔震技術(shù)為基礎(chǔ)隔震，基礎(chǔ)隔震的原理是在基礎(chǔ)頂面與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層，改變建筑物結(jié)構(gòu)周期，限制地震能量進(jìn)入上部結(jié)構(gòu)。

建筑物的結(jié)構(gòu)周期和阻尼比與地震作用有緊密影響，普通中低層建筑物剛度大，周期短，其結(jié)構(gòu)周期正處于地震輸入能力最大頻段上，相應(yīng)的地震加速度比地面運(yùn)動(dòng)要放大得多，如果增大建筑結(jié)構(gòu)的周期，并加大結(jié)構(gòu)的阻尼比，建筑結(jié)構(gòu)上的地震加速度反應(yīng)將會(huì)大大減弱，位移反應(yīng)也會(huì)明顯降低，起到很好的隔震效果。

通過在基礎(chǔ)頂面和上部結(jié)構(gòu)底部設(shè)置隔震層，用來承擔(dān)結(jié)構(gòu)發(fā)生的位移反應(yīng)，使上部結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)大大減小，只會(huì)出現(xiàn)接近平移的運(yùn)動(dòng)，大大提高結(jié)構(gòu)的安全度。現(xiàn)一般采用疊層橡膠墊體系來實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的分離，其隔震層由若干隔震器組成，隔震器包括疊層阻尼器和橡膠墊，分普通疊層橡膠墊、鉛芯橡膠墊和高阻尼橡膠墊。這種隔震體系的周期長、阻尼比大，隔震效果明顯。

基礎(chǔ)隔震技術(shù)已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)在應(yīng)用也比較廣泛，對(duì)自振周期較短的房屋抗震效果較好，其不足之處是基礎(chǔ)隔震對(duì)豎向震動(dòng)沒有減震的效果，對(duì)較長的周期性水平振動(dòng)存在共振的危險(xiǎn)，從而影響上部結(jié)構(gòu)和隔震支座的安全。

目前限制基礎(chǔ)隔震技術(shù)的主要因素是造價(jià)問題，與常規(guī)抗震技術(shù)相比，基礎(chǔ)隔震所需費(fèi)用較高，必須研發(fā)更加經(jīng)濟(jì)高效的配套體系，提高橡膠支座的性能指標(biāo)，充分發(fā)揮橡膠支座的水平和豎向抗震能力，并開發(fā)智能隔震系統(tǒng)，對(duì)地震作用有自我適應(yīng)能力，其次，隔震裝置也可安裝在結(jié)構(gòu)的中間層和結(jié)構(gòu)頂層，同時(shí)起加層和抗震加固作用，提高基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用范圍。

（2）建筑結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)及其應(yīng)用

消能減震的原理是在建筑基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置特別機(jī)構(gòu)和元件，用來吸收地震能量，實(shí)現(xiàn)地動(dòng)建筑物基本不動(dòng)，保護(hù)上部結(jié)構(gòu)安全的目的。

一般采用的消能減震機(jī)構(gòu)是摩擦阻尼耗能器，摩擦阻尼耗能器是一種構(gòu)造簡單、造價(jià)低、耗能好的減震裝置，它可以與主體結(jié)構(gòu)串聯(lián)或并聯(lián)，具有接近雙線性滯回的阻尼耗能作用。常用的消能構(gòu)件有消能支撐和消能剪力墻，消能支撐包含耗能交叉支撐，摩擦耗能支撐，耗能偏心支撐，耗能隔撐。消能剪力墻包含豎縫消能剪力墻、橫縫消能力墻、周邊縫消能剪力墻等。其混凝土的接縫面可以填充粘性材料能或用鋼筋聯(lián)接。當(dāng)發(fā)生較強(qiáng)地震時(shí)，混凝土接縫面會(huì)出現(xiàn)非彈性的縫面錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生阻尼，從而消耗地震能量。當(dāng)受到更強(qiáng)地震作用時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)這些部位將發(fā)生較大變形，從而使裝置在該部位的阻尼器發(fā)揮消能作用。

消能減震結(jié)構(gòu)中的消能元件是不能和主體結(jié)構(gòu)分離的，它不能完全避免主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)彈塑性變形，不能完全脫離延性結(jié)構(gòu)的概念。為了增強(qiáng)摩擦阻尼器的自動(dòng)復(fù)位能力，滿足不同地震強(qiáng)度等級(jí)的消能要求，需要開發(fā)多級(jí)摩擦阻尼器，以適應(yīng)更高層建筑物、各種強(qiáng)度級(jí)別地震的消能減震需要。

（3）建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用

建筑結(jié)構(gòu)控制技術(shù)從廣義上包含有利振動(dòng)的利用和有害振動(dòng)的抑制兩部分，振動(dòng)控制的目的是通過一定的手段使建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)水平滿足人們預(yù)定要求，使建筑物建筑結(jié)構(gòu)減輕或免受振動(dòng)的影響。建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制包括包含被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制四種。

被動(dòng)控制技術(shù)是指不借助外部力量，而在建筑結(jié)構(gòu)某部位添加子系統(tǒng)以改變結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性的振動(dòng)控制技術(shù)，主要分為基礎(chǔ)隔震和消能減震兩種，其原理和應(yīng)用在前面已詳細(xì)描述。

主動(dòng)控制是要借助外部力量來實(shí)現(xiàn)減震的控制技術(shù)，主要通過施加于地震作用相反的控制力，來抵消地震作用力。主動(dòng)控制的原理首先是用傳感器監(jiān)測建筑結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力響應(yīng)和外部刺激，然后將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)以一定的算法計(jì)算出應(yīng)施加力的大小，最后由外部能源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生控制力，用來抵消地震作用力。目前主動(dòng)控制裝置主要有主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、主動(dòng)支撐系統(tǒng)等。

半自動(dòng)控制技術(shù)主要是通過控制機(jī)構(gòu)來自動(dòng)調(diào)節(jié)建筑結(jié)構(gòu)在地震中的各種參數(shù)，用以抵抗地震作用力。半自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)外部力量需求很低，只需弱點(diǎn)就能運(yùn)行，并用開關(guān)來操作改變控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，改變建筑物的動(dòng)力特性。目前應(yīng)用較廣泛的半主動(dòng)控制的裝置有：主動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、可變剛度系統(tǒng)、可變阻尼系統(tǒng)等。

混合控制技術(shù)是主動(dòng)控制技術(shù)與被動(dòng)控制技術(shù)相聯(lián)合的運(yùn)用。它利用了主動(dòng)控制與被動(dòng)控制的綜合優(yōu)點(diǎn)，既能通過被動(dòng)控制裝置耗散大量地震能量，也能利用主動(dòng)控制裝置來保證控制的效果， 因此混合控制有著良好的建筑工程應(yīng)用價(jià)值?；旌峡刂蒲b置主要有主動(dòng)控制裝置與阻尼耗能裝置結(jié)合的混合控制裝置、主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)與調(diào)諧液體阻尼系統(tǒng)結(jié)合形成的混合控制等。

結(jié)語

綜上，建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減震和振動(dòng)控制對(duì)地震災(zāi)害有很好的抵抗作用，在保證抗震效果的同時(shí)，尋求造價(jià)低、施工方便且穩(wěn)定性、耐久性好的控制方法是未來抗震研究的趨勢(shì)。隨著我國隔震、減震和振動(dòng)控制技術(shù)的不斷提高，建筑結(jié)構(gòu)的柔性抗震能力越來越強(qiáng)，建筑結(jié)構(gòu)在地震作用后受到的影響越來越小，滿足了建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求，對(duì)保障國家利益，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全也有重要作用。

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