現(xiàn)代土木工程中結(jié)構(gòu)的減震控制

柴東勝

【摘 要】現(xiàn)今，世界上大部分的國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展了結(jié)構(gòu)減震技術(shù)與理論的研究，并且致力于該技術(shù)的推廣應(yīng)用。我們國(guó)家同樣也是，由此可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)抗震控制技術(shù)是一門技術(shù)型和科學(xué)性非常強(qiáng)的應(yīng)用科學(xué)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用減震控制技術(shù)，可以很好地減小地震反應(yīng)從而降低抗震等級(jí)，同時(shí)建筑物的總造價(jià)增大不是很多。

【關(guān)鍵詞】土木工程；結(jié)構(gòu)減震；控制方法

概述：

隨著我國(guó)建筑行業(yè)建設(shè)水平的不斷提升，在面對(duì)日益復(fù)雜的地質(zhì)安全問(wèn)題上，我國(guó)土木工程建設(shè)中的施工技術(shù)不斷進(jìn)步。但是由于我國(guó)人口聚居地區(qū)多處于地震帶和季風(fēng)區(qū)內(nèi)，造成我國(guó)建筑面臨防風(fēng)減震等諸多技術(shù)問(wèn)題，為人民生產(chǎn)生活埋下生命財(cái)產(chǎn)隱患，因此，有效控制土木工程結(jié)構(gòu)的減震措施具有十分重要的意義。

一、隔震控制技術(shù)的基本原理

結(jié)構(gòu)減震控制指的是在建筑結(jié)構(gòu)的某個(gè)特定部位設(shè)置某種控制裝置、機(jī)構(gòu)或種子結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動(dòng)的時(shí)候，主動(dòng)或液壓質(zhì)量振動(dòng)被動(dòng)的施加外力來(lái)改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用或動(dòng)力特性，從而有效降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，其最終目的就是通過(guò)采取一系列控制措施和方法，降低建筑結(jié)構(gòu)在地震等強(qiáng)動(dòng)力荷載下的反應(yīng)，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，為建筑結(jié)構(gòu)的安全性提供保障。由地震反應(yīng)譜我們了解到，隨著周期的不斷加大，其加速度的反應(yīng)譜就會(huì)逐漸的縮小，一般低層建筑的剛度是較大的，所以其周期是比較短的，在地震的時(shí)候其中的加速度是相對(duì)比較大的，所以假如我們采取一個(gè)相應(yīng)的措施加大了其延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)基本的自振周期，使其遠(yuǎn)離場(chǎng)地的卓越周期，使得結(jié)構(gòu)的基頻始終處于一個(gè)地震能量高的頻段以外，就可以有效地降低其建筑物的輸入加速度。

二、土木工程結(jié)構(gòu)減震的控制方法

1. 被動(dòng)控制

被動(dòng)的控制根本就不需要提供外部的能量，然而就得通過(guò)隔震、減震裝置來(lái)消耗振動(dòng)的能量，同時(shí)還得阻止振動(dòng)在結(jié)構(gòu)之中的傳播，它具有不要外界能源支持、比較容易維護(hù)、造價(jià)也是相對(duì)比較低、構(gòu)造簡(jiǎn)單等等的眾多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用。被動(dòng)控制主要包括了調(diào)諧減震、基礎(chǔ)隔震以及耗能減震。

（1）耗能減震

耗能減震技術(shù)就是把結(jié)構(gòu)物中的某些構(gòu)件（如剪力墻、支撐等等），設(shè)計(jì)成的耗能部件或是在結(jié)構(gòu)物的某些部位（連接處或是節(jié)點(diǎn)）來(lái)設(shè)置其阻尼器，在小荷載的作用之下，阻尼以及耗能桿件可以處于一個(gè)彈性的狀態(tài)，在強(qiáng)烈地震的作用之下，耗能裝置首先進(jìn)入的是一個(gè)非彈性的狀態(tài)，大量消耗輸入到結(jié)構(gòu)之中的能量，這樣就可以使得主體的結(jié)構(gòu)避免進(jìn)入一個(gè)明顯的非彈性狀態(tài)，從而就可以保護(hù)主體結(jié)構(gòu)不會(huì)受到破壞。我們按照其耗能裝置的不同，耗能減震體系有可以分為不同的體系，一種是耗能構(gòu)件減震體系，其中常用的耗能元件有耗能剪力墻（如橫縫剪力墻、豎縫剪力墻、周邊縫剪力墻、剪力墻等等）以及耗能支撐（比如，方框耗能支撐、圓形耗能支撐以及形偏心耗能支撐等等），然而另一種則是阻尼器耗能減震體系，其中及包括了摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器、粘滯阻尼器以及彈塑性耗能器（軟鋼耗能器、鉛擠壓阻尼器以及記憶合金耗能器等）等等。

（2）基礎(chǔ)減震

基礎(chǔ)隔震是在構(gòu)筑物或者是建筑物的基底來(lái)設(shè)置控制機(jī)構(gòu)來(lái)隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳輸，使得結(jié)構(gòu)的振動(dòng)逐漸的減輕，避免地震給建筑物帶來(lái)的損壞。所以說(shuō)，基礎(chǔ)隔振裝置一定要具備比較大的變形能力；還得有充分的剛度和初始的強(qiáng)度；可以提供一個(gè)比較大的阻尼，使其可以具有比較大的耗能能力。其中，目前其中較為常見(jiàn)的隔震裝置有夾層橡膠墊隔震裝置、滾軸加鋼板消能裝置、粉粒墊層隔震裝置、鉛芯滯變阻尼器隔震裝置、基底滑移隔震裝置、鋼滯變阻尼器隔震裝置、懸掛基礎(chǔ)隔震裝置以及摩擦隔震裝置等等?；A(chǔ)隔震對(duì)降低結(jié)構(gòu)的自振頻率具有非常顯著的作用，是發(fā)展最早的結(jié)構(gòu)減震方法，其在技術(shù)上比較成熟，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、耐久性高、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、減震效果顯著的優(yōu)點(diǎn)，比較適用于剛性結(jié)構(gòu)和中低層建筑。

（3）調(diào)諧減震

調(diào)諧減震主要是通過(guò)在建筑主體結(jié)構(gòu)中附加一些子結(jié)構(gòu)的方法，使主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下，振動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)移，結(jié)構(gòu)中的震動(dòng)能量就能在原結(jié)構(gòu)與附加結(jié)構(gòu)之間得到重新的分配，大大降低了震動(dòng)對(duì)原結(jié)構(gòu)帶來(lái)的破壞。常用的調(diào)諧減震系統(tǒng)有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、模式質(zhì)量阻尼器、質(zhì)量泵、調(diào)諧液體阻尼器、液壓質(zhì)量振動(dòng)控制系統(tǒng)等，這些調(diào)諧減震系統(tǒng)能夠有效減小地震反應(yīng)。

2. 主動(dòng)控制

結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制是利用外部能源，在結(jié)構(gòu)受激勵(lì)振動(dòng)過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力或改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，從而迅速地減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)。主動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括傳感器、控制器和作動(dòng)器3個(gè)組成部分。傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)反應(yīng)或外部激勵(lì)信息?？刂破魈幚韨鞲衅鳒y(cè)量的信息，實(shí)現(xiàn)所需的控制律，其輸出為作動(dòng)器的指令。作動(dòng)器產(chǎn)生控制力，所需的能量由外部能源提供，控制力有時(shí)通過(guò)一個(gè)輔助子結(jié)構(gòu)作用到受控結(jié)構(gòu)上。主動(dòng)控制能夠很好的應(yīng)用現(xiàn)代控制理論和最新研究成果。在主動(dòng)控制中，作動(dòng)器的控制力可連續(xù)變化，所以其有著極廣的控制頻率，對(duì)外界不同激勵(lì)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠取得很好的控制效果。常用的主動(dòng)控制系統(tǒng)裝置主要有主動(dòng)質(zhì)量阻尼器、主動(dòng)支撐系統(tǒng)、主動(dòng)拉鎖系統(tǒng)等。

3. 半主動(dòng)控制

半主動(dòng)的控制是屬于一個(gè)參數(shù)的控制，其控制的過(guò)程完全的依賴于外部激勵(lì)以及結(jié)構(gòu)反應(yīng)的信息，進(jìn)而再通過(guò)少量的能量而實(shí)時(shí)的改變結(jié)構(gòu)的阻尼或是剛度等等的參數(shù)來(lái)減小結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。半主動(dòng)的控制根本就不需要大量外部能源的輸入來(lái)直接性的提供一個(gè)控制力，只是其實(shí)施控制力的作動(dòng)器就得需要少量的能量調(diào)節(jié)，這樣就可以使得其可以主動(dòng)的利用結(jié)構(gòu)振動(dòng)的往復(fù)相對(duì)速度或是變形，在最大程度上來(lái)充分的實(shí)現(xiàn)主動(dòng)最優(yōu)控制力。因其半主動(dòng)控制是兼顧被動(dòng)控制簡(jiǎn)單易行以及主動(dòng)控制優(yōu)良的控制效果的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還克服了主動(dòng)控制需要的大量的能量供給以及被動(dòng)控制調(diào)諧范圍窄的不足，所以半主動(dòng)化的控制具有了一個(gè)比較廣泛的應(yīng)用以及比較大研究，這同時(shí)也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其中常見(jiàn)的半主動(dòng)控制系統(tǒng)有變剛度變阻尼系統(tǒng)（AVSD）、可變阻尼系統(tǒng)（AVD）、可變剛度系統(tǒng)（AVS）以及主動(dòng)調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)（ATMD）等等。

4. 混合控制

混合控制是將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制聯(lián)合起來(lái)應(yīng)用，即將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制同時(shí)應(yīng)用于同一建筑結(jié)構(gòu)減震中，可以將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩種方法的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來(lái)，彌補(bǔ)了單一控制方法的制約和不足，只需要小功率的能量輸入就能直接提供控制力，控制效果非常明顯，調(diào)諧范圍得以擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)抗震系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)用性和安全性大大提升。

三、結(jié)構(gòu)減震控制的最新研究及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

從土木工程的結(jié)構(gòu)減震的控制技術(shù)的發(fā)展情況來(lái)看，在耗能減震與基礎(chǔ)隔震方面的研究是比較多的，且方法和理論是較為成熟的，已經(jīng)在大部分的實(shí)際工程之中來(lái)有效地加以應(yīng)用，今后將向更加實(shí)用化以及規(guī)范化的方向發(fā)展。地震波的頻譜特性與被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量減震裝置的減震效果緊密相連，對(duì)于不同的地震波表現(xiàn)出來(lái)的是一個(gè)比較大的離散性，其減震的效果的差別是比較大的。隔震技術(shù)的成熟促使人們對(duì)目前的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行進(jìn)一步的反思，現(xiàn)今的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范是建立在已經(jīng)有的地震經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上的。

四、結(jié)束語(yǔ)

地震災(zāi)害具有突發(fā)性、隨機(jī)性、難預(yù)測(cè)、危害性大的特點(diǎn)，是人類面臨的重要自然災(zāi)害之一。隨著土木工程建筑高度的不斷增加以及輕質(zhì)材料的廣泛應(yīng)用，建筑物的剛度大大降低，難以抵抗突如其來(lái)的地震災(zāi)害。結(jié)構(gòu)減震控制是通過(guò)增加某些結(jié)構(gòu)部位的強(qiáng)度和變形能力提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，減小工程結(jié)構(gòu)震動(dòng)，保護(hù)建筑在地震中的安全，是土木工程中有效的防災(zāi)減災(zāi)方法。

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