結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的認(rèn)識(shí)和思考

張義麗

（九江務(wù)實(shí)建設(shè)監(jiān)理有限公司，江西九江 332100）

1 地震災(zāi)害

我國(guó)地處太平洋和歐亞兩大世界地震帶之間，是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家。現(xiàn)代我國(guó)發(fā)生的大地震有：1976年唐山7.8級(jí)大地震，死亡24萬(wàn)多人，直接經(jīng)濟(jì)損失30億元；2008年5月12日發(fā)生的四川汶川8級(jí)大地震，死亡6.9227萬(wàn)人，傷37.4643萬(wàn)人，失蹤1.7923萬(wàn)人；2010年4月14日晨青海省玉樹(shù)縣發(fā)生兩次地震，最高震級(jí)7.1級(jí)，造成2698人遇難，失蹤270人。全球范圍內(nèi)近幾年發(fā)生的大地震有：2010年1月12日海地7級(jí)大地震，死亡超過(guò)25萬(wàn)人；2011年3月11日日本東北9級(jí)大地震，造成的15741人死亡，并引發(fā)福島核危機(jī)。

這些大地震造成的人員傷亡、房屋倒坍等給人們帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也帶來(lái)了巨大的悲痛和心理傷害。作為從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的土木工程人員，應(yīng)該把減小地震等自然災(zāi)害對(duì)人們?cè)斐傻牟豢苫謴?fù)的傷害降到最低為己任，多做防災(zāi)減災(zāi)的研究，推動(dòng)結(jié)構(gòu)抗震性能的提高。

2 抗震設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)控制

我國(guó)的 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB50011－2010）規(guī)定的基本抗震設(shè)防目標(biāo)是：當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，主體結(jié)構(gòu)不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的設(shè)防地震影響時(shí)，可能發(fā)生損壞，但經(jīng)過(guò)一般性修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。［1］一句話(huà)，結(jié)構(gòu)要滿(mǎn)足 “小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

抗震設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)本身的調(diào)整，即對(duì)結(jié)構(gòu)的布局、構(gòu)件等設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)具備抵抗大震的能力。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)采取消極的對(duì)策，依靠結(jié)構(gòu)自身性能 （強(qiáng)度、剛度、變形能力、耗能能力）來(lái)抵御地震作用，消耗地震能量，包括鋼板剪力墻、箍筋加密區(qū)、剪力墻設(shè)置約束邊緣構(gòu)件等都是從增大強(qiáng)度、剛度和增大延性的角度出發(fā)的。這種傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理念，存在如下問(wèn)題：一是基本烈度是不確定的，例如抗規(guī)用全國(guó)基本烈度區(qū)劃圖，而實(shí)際唐山、汶川地震都超出了原區(qū)劃。二是不能保護(hù)內(nèi)部重要裝飾或重要設(shè)備儀器。三是大震后，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件發(fā)生彈塑性變形甚至破壞。四是結(jié)構(gòu)剛度大，材料浪費(fèi)，不經(jīng)濟(jì)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)實(shí)際上是依靠結(jié)構(gòu)本身和結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件的損壞消耗大部分輸入能量，如結(jié)構(gòu)構(gòu)件不可修復(fù)的損壞、塑性鉸的產(chǎn)生等往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重破壞甚至倒塌。而且，傳統(tǒng)抗震方法只考慮結(jié)構(gòu)本身在地震中出現(xiàn)的一定程度的破壞，而未考慮房屋內(nèi)部設(shè)備儀器的抗震和房屋內(nèi)人的舒適程度，這對(duì)于內(nèi)部有重要裝飾或重要設(shè)備儀器的建筑物并不適用。為此，人們?cè)诳拐饐?wèn)題研究中，除按規(guī)范對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)外，另外一個(gè)重要方面就是結(jié)構(gòu)減震和結(jié)構(gòu)控制。

結(jié)構(gòu)體系受地面運(yùn)動(dòng)作用時(shí)輸入結(jié)構(gòu)的總能量與由結(jié)構(gòu)耗散及儲(chǔ)存于結(jié)構(gòu)中的能量平衡，即：E1＝ES＋ED，其中E1為總輸入能量；ES為結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存的能量；ED為結(jié)構(gòu)耗散的能量。結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存的能量包括應(yīng)變能和動(dòng)能：ES＝EE＋EK，其中EE為彈性應(yīng)變能；EK為動(dòng)能。結(jié)構(gòu)耗散的能量包括阻尼耗散的能量和滯回彈塑性變形的耗能：ED＝EC＋EH，其中EC為阻尼耗散的能量；EH為滯回彈塑性變形的耗能。為減輕結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，可以通過(guò)減少輸入的地震能量E1（基礎(chǔ)隔震）或增大EC或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的EH（耗能減震、結(jié)構(gòu)控制）的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。［2］我國(guó) 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011－2010）第十二章為隔震和消能減震設(shè)計(jì)開(kāi)辟了專(zhuān)門(mén)的章節(jié)，主要包括基礎(chǔ)隔震、消能減震和吸震減震等內(nèi)容。

3 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的發(fā)展和應(yīng)用

1972年，美籍華裔學(xué)者姚治平將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，首次提出了結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概念，開(kāi)創(chuàng)了結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究。幾十年來(lái)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制在理論和實(shí)驗(yàn)研究方面都取得了豐碩成果，其減震效果較傳統(tǒng)抗震方法明顯優(yōu)越，改變了結(jié)構(gòu)體系利用自身儲(chǔ)存和消耗地震能量的傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)從控制方式上可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制與混合控制四種方式［3］，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)控制

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，已應(yīng)用于很多的實(shí)際工程項(xiàng)目中：粘彈性阻尼器首次應(yīng)用于紐約世貿(mào)中心雙塔結(jié)構(gòu)中，安裝了10000余個(gè)粘彈性阻尼器，以減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)。經(jīng)歷過(guò)多次臺(tái)風(fēng)檢驗(yàn)，減振效果良好，實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)阻尼3%左右［4］；肯考迪亞大學(xué)圖書(shū)館由一幢10層結(jié)構(gòu)和一幢6層結(jié)構(gòu)中間通過(guò)連廊連接組成，采用摩擦耗能器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剪力墻或普通支撐，結(jié)構(gòu)中總共安裝了143個(gè)起滑荷載為600～700kN的Pall摩擦耗能器，摩擦耗能器為結(jié)構(gòu)提供了約50%的附加阻尼，有效地提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能［5］；為了減少?gòu)?qiáng)風(fēng)對(duì)建筑物的影響，臺(tái)北101大廈在87～92樓安裝了一個(gè)巨大的鋼球質(zhì)量協(xié)調(diào)阻尼器，本身重量660公噸，系統(tǒng)總重量730公噸，由四十一層12.5公分厚鋼板結(jié)合為球形，直徑5.5公尺，總造價(jià)約三千萬(wàn)人民幣，可以減少因地震、風(fēng)吹搖晃所引起的擺幅40%［6］。

4 思考與小結(jié)

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論的提出、發(fā)展和應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)提供了除以增大構(gòu)件截面積、提高材料強(qiáng)度等傳統(tǒng)措施來(lái)增大結(jié)構(gòu)剛度和承載力，從而用 “硬抗”的方式來(lái)減小地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞之外的另外一種抗震減震的思路方法。通過(guò)在結(jié)構(gòu)中安裝各種隔震、消能裝置來(lái)達(dá)到減小在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)或高層建筑在正常使用過(guò)程中由于風(fēng)致振動(dòng)帶來(lái)的不舒適感。筆者通過(guò)大量模型試算，認(rèn)為：為了提高耗能支撐的控制效果，支撐應(yīng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)第一振型向量幅值差較大的位置處。對(duì)于剪切型結(jié)構(gòu)，可設(shè)置在結(jié)構(gòu)的下部；對(duì)于彎曲型結(jié)構(gòu)，可設(shè)置在結(jié)構(gòu)的上部；對(duì)于彎剪型結(jié)構(gòu)，可設(shè)置在層間位移較大的位置；為了盡量降低對(duì)建筑功能的影響，需與建筑方案相配合；阻尼器布置盡量周變化，分散化，減少對(duì)結(jié)構(gòu)剛度中心和質(zhì)量中心偏心的影響。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制雖然說(shuō)早在上世紀(jì)70年代就已提出理論并應(yīng)用，而且我國(guó)最新的 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》已增加了隔震和消能減震設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，但針對(duì)的阻尼器類(lèi)別和隔震減震的方法規(guī)定還不完善，目前國(guó)內(nèi)還處于研究探索階段，沒(méi)有大范圍的應(yīng)用，對(duì)多數(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)還比較陌生。為此，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的我們更應(yīng)該在以后的學(xué)習(xí)和工作中，學(xué)習(xí)研究和推廣消能減震的方法，使的設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)獲得更高的安全性和更好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

〔1〕中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) .建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011－2010）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

〔2〕方小丹 .抗震工程概論教案 ［M］.廣州：華南理工大學(xué)，2011.

〔3〕閻維明，周福霖，譚平 .土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究進(jìn)展 ［J］.世界地震工程，1997，（02）：8－20.

〔4〕蔡澤文 .粘彈性阻尼器在土木工程中的應(yīng)用 ［J］.山西建筑，2007，（29）：93－94.

〔5〕史春芳，徐趙東，盧立恒.摩擦阻尼器在工程結(jié)構(gòu)中的研究與應(yīng)用 ［J］.建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2007，（09）：37－41.

〔6〕謝紹松，張敬昌，鐘俊宏 .臺(tái)北101大樓的耐震及抗風(fēng)設(shè)計(jì) ［J］.建筑施工，2005，（10）：7－9.