結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)中的抗震分析

摘要：地震給建筑物帶來的損害是巨大的，由此抗震設(shè)計(jì)成為了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中最為重要的環(huán)節(jié)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地、全面地、正確地理解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性是極為必要的。本文結(jié)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，分析了地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破換機(jī)理，并對(duì)結(jié)構(gòu)減震和隔振方法進(jìn)行了研究，旨在為我國(guó)建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供幫助。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗震分析

前言

地震給人民的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全帶來了極大的威脅，最大限度地限制和減輕建筑結(jié)構(gòu)物的地震破壞成為了人們不斷研究的課題。通過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)取決于地震動(dòng)輸入的特性和結(jié)構(gòu)的特性，特別是結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。隨著人們對(duì)地震動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的了解越來越多，對(duì)震害現(xiàn)象的觀察越來越深入，以及技術(shù)手段越來越先進(jìn)，結(jié)構(gòu)抗震分析方法也跟著有了很大的發(fā)展。從某種意義上來說，結(jié)構(gòu)抗震分析方法是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論在地震工程研究領(lǐng)域里的一種延伸、拓展和應(yīng)用的結(jié)果，所以可以說結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是建筑結(jié)構(gòu)抗震分析方法的基礎(chǔ)。

1.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)概述

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是研究動(dòng)態(tài)作用下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的一門學(xué)科。所謂動(dòng)態(tài)作用，是指對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生不可忽略的加速度的作用，如突加荷載、吊車荷載、設(shè)備振動(dòng)、地震等。

在結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算中，通常采用靜力彈性模量作為動(dòng)力彈性模量?；谶@一原則，計(jì)算鋼、木結(jié)構(gòu)的剛度就與靜力問題完全相同了。至于計(jì)算鋼筋混凝土構(gòu)件的動(dòng)力剛度時(shí)，一般可認(rèn)為整個(gè)截面參加工作。由于其受拉與受壓的彈性模量相近，一般采用受壓彈性模量。當(dāng)正反向的剛度不同時(shí)，可近似地取平均值。確定實(shí)際建筑物的剛度比較復(fù)雜，因?yàn)樗粌H取決于主體結(jié)構(gòu)，而且還與各種非承重構(gòu)件有關(guān)，特別是內(nèi)外墻的影響很大。而這些非承重構(gòu)件的構(gòu)造、連接及受力性能往往是不大明確的，因而建筑物的動(dòng)力剛度很難用計(jì)算方法求出。目前比較切實(shí)可行的辦法，是通過對(duì)建筑物大量分階段（即施工過程中的各階段）的實(shí)測(cè)，掌握各種構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的獨(dú)立的及聯(lián)合的影響，提出合理計(jì)算簡(jiǎn)圖，并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果反演實(shí)測(cè)的剛度[1]。

2.地震對(duì)建筑的破壞機(jī)理

從多次地震災(zāi)害的情況來看，各類建筑物遭受的破壞千差萬別，原因復(fù)雜，因素很多。概括地說，主要原因是強(qiáng)度不夠、聯(lián)結(jié)不牢、地基失效所引起。地面運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于一種強(qiáng)迫荷載。在發(fā)生破壞性地震時(shí)，由于地面的強(qiáng)烈振動(dòng)，特別是水平振動(dòng)，建筑物在極短的時(shí)間內(nèi)受到極大的動(dòng)荷載，特別是側(cè)向荷載，因此如果主要承重構(gòu)件沒有足夠大的斷面，就會(huì)因強(qiáng)度不足而造成不同程度的損壞或破壞，直至倒塌。一般在門窗角部易于發(fā)生裂縫，主要原因是應(yīng)力集中；與地震力平行方向的承重墻體，特別是端墻，易于發(fā)生斜裂縫、X裂縫，這是主拉應(yīng)力不足而發(fā)生的剪切破壞。柱根一般多出現(xiàn)水平裂縫和錯(cuò)動(dòng)，這是彎曲破壞和剪切破壞。對(duì)于立面突出部分之所以易于破壞，一則是由于應(yīng)力集中，二則是它不能很好地與主體結(jié)構(gòu)形成整體振動(dòng)，三則是高振型的影響。尤其值得注意的是許多結(jié)構(gòu)并非截面不夠，而是由于聯(lián)結(jié)不牢，支撐不足，延性不夠，整體性差而導(dǎo)致的破壞[2]。

地基失效使建筑物造成破壞的問題，近年來已被日益重視。所謂地基失效，主要有兩種情況：一是飽和砂土受到強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，砂處于離散狀態(tài)，如同液體，喪失承載能力；二是軟弱地基、嚴(yán)重不均勻地基在地震時(shí)產(chǎn)生過大變形，嚴(yán)重沉降，特別是不均勻沉降，以及地基滑移和地裂、地陷等情況。毫無疑問，處于這兩種情況下的建筑物必然發(fā)生沉陷、傾斜直至倒塌。顯然，這種震害是不可能靠加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的辦法來解決的，而應(yīng)該選擇對(duì)建筑物抗震有利的地段為建筑場(chǎng)地。

3.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)中減震應(yīng)用

3.1隔震結(jié)構(gòu)

（1）隔震結(jié)構(gòu)的原理

一般來說，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方針為：允許出現(xiàn)屈服，即允許出現(xiàn)塑性鉸的某些構(gòu)件，從而能夠降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。但是，由于結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件發(fā)生屈服，結(jié)構(gòu)遭受一定程度的破壞是不可避免的。而隔震結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下并不產(chǎn)生任何破壞。所謂隔震結(jié)構(gòu)，最理想的辦法就是把結(jié)構(gòu)與地基完全隔離、絕緣，使地震能量不能通過地基傳遞給結(jié)構(gòu)。但是，從現(xiàn)實(shí)情況看，把結(jié)構(gòu)與地基完全隔離、絕緣是不現(xiàn)實(shí)的，也是不可能的。

（2）隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

首先是剛度小，強(qiáng)度小。在上部結(jié)構(gòu)的柱與下部基礎(chǔ)與之間設(shè)置隔震層，隔震層內(nèi)配置各種隔震裝置。隔震裝置的的剛度、強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)本身相比都很小。因此，整個(gè)結(jié)構(gòu)的第1自振周期將增大，整個(gè)結(jié)構(gòu)成為柔性結(jié)構(gòu)。

其次是變形大，能量吸收大。地震時(shí)，隔震裝置發(fā)生屈服現(xiàn)象，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形集中于隔震裝置。因此，隔震裝置將發(fā)生很大的變形，因而其能量吸收能力大。隔震結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征可以用圖1所示的地震反應(yīng)譜示意圖來說明：周期來講，如果結(jié)構(gòu)的自振周期越大，那么結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的反應(yīng)加速度就越小，反應(yīng)位移就越大；就阻尼來講，如果結(jié)構(gòu)的阻尼越大，那么結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的反應(yīng)加速度就越小，反應(yīng)位移就越小[3]。

圖1地震反應(yīng)譜示意圖

（3）隔震結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征

由于在上部結(jié)構(gòu)的柱與基礎(chǔ)之間設(shè)置能量吸收機(jī)構(gòu)，在地震荷載作用下，隔震結(jié)構(gòu)的變形與一般抗震結(jié)構(gòu)的變形不同。在地震荷載作用下，抗震結(jié)構(gòu)將發(fā)生剪切、彎曲、基礎(chǔ)回轉(zhuǎn)及基礎(chǔ)水平移動(dòng)等變形，結(jié)構(gòu)本身的變形較大。應(yīng)當(dāng)注意，在隔震結(jié)構(gòu)中，疊層橡膠承受很大的軸力。在發(fā)生水平變形時(shí)，疊層橡膠除軸力之外還將承受很大的剪力。由于水平位移的發(fā)生，疊層橡膠的有效支承面積將減小。

3.2減震結(jié)構(gòu)

（1）減震結(jié)構(gòu)的原理

在動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)反應(yīng)的放大系數(shù)如圖2所示。放大系數(shù)的大小，與結(jié)構(gòu)的阻尼、外荷載頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率之比有關(guān)。由圖2可以看出，在共振點(diǎn)，如果結(jié)構(gòu)的阻尼很小，那么放大系數(shù)將變得很大。同樣的道理，如果外荷載為地震荷載，那么結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)將變得很大。隔震結(jié)構(gòu)就是通過使用疊層橡膠，增大結(jié)構(gòu)的自振周期，避免與地震荷載發(fā)生共振。由圖2還可以看出。如果增大結(jié)構(gòu)的阻尼，也能減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。但實(shí)際上，一般鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其本身的粘滯阻尼比只有2%～5%左右，要想增大結(jié)構(gòu)的阻尼，只有人為地在結(jié)構(gòu)上設(shè)置高阻尼裝置。減震結(jié)構(gòu)就是利用這一原理，在結(jié)構(gòu)上設(shè)置一些彈塑性減震器、油壓減震器或黏彈性減震器。用來增大結(jié)構(gòu)的等效阻尼，使其能夠吸收更多的地震能量，從而減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。因此減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的方法只有兩個(gè)：增大結(jié)構(gòu)阻尼，避免共振。

圖2放大系數(shù)與阻尼、頻率比的關(guān)系

（2）能動(dòng)性減震

在地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生地震反應(yīng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的大小，對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力。這種方法稱為反饋控制。建筑結(jié)構(gòu)的能動(dòng)性減震一般都是指這種方法。能動(dòng)性減震，需要在結(jié)構(gòu)上安置能夠檢測(cè)出結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特殊裝置，還需要設(shè)置隨結(jié)構(gòu)反應(yīng)而發(fā)生變化的動(dòng)力裝置。為使這個(gè)裝置處于隨時(shí)能夠使用的狀態(tài)。要求對(duì)這個(gè)裝置長(zhǎng)期配置電源，并定期進(jìn)行嚴(yán)格的檢查、管理。

被動(dòng)性減震主要指在結(jié)構(gòu)中只設(shè)置減震器，而不設(shè)置任何動(dòng)力裝置。所以，從某種意義上來講，隔震結(jié)構(gòu)也可以看作是減震結(jié)構(gòu)中的一種。被動(dòng)性減震設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工方便、經(jīng)濟(jì)效果較好，因此被廣泛利用。

4.結(jié)語(yǔ)

總的來說，在地震發(fā)生時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)需具備保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)居住者的生命安全，保持建筑結(jié)構(gòu)的財(cái)產(chǎn)價(jià)值和保持建筑結(jié)構(gòu)的使用功能。通過采取一定的措施，控制建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，能夠有效的減輕結(jié)構(gòu)的地震破壞，，降低結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力，保障建筑安全。因此相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要掌握結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的基本原理和方法，并不斷應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，以提高建筑的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]運(yùn)勝濤，陳亦仁.框架結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)之抗震性能分析[J].山西建筑，2013，35（26）：53.

[2]侯建娟.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)[J].建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2013（6）.

[3]李群芳.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全過程中的抗震概念設(shè)計(jì)[J].福建建設(shè)科技，2012，（3）：46-48.

作者簡(jiǎn)介：

熊清華（1988.10-），男，廣西南寧人，研究生，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。