建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減振和振動(dòng)控制

陳麟海

摘 要：近年來(lái)，地殼運(yùn)動(dòng)相比之前更加劇烈頻繁，面對(duì)這種情況，國(guó)家有關(guān)部門(mén)不斷加大對(duì)建筑結(jié)構(gòu)隔震、減振和振動(dòng)控制等的研究力度。同時(shí)，人們對(duì)居住環(huán)境和質(zhì)量提出了更高的要求，尤其是房屋建筑的安全性能。如果建筑結(jié)構(gòu)沒(méi)有采取必要的隔震和減震措施，勢(shì)必會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全性造成不利影響。因此，有必要加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減振和振動(dòng)控制，促進(jìn)房屋建筑物穩(wěn)定性的提升。本文將在對(duì)隔震和消能減振進(jìn)行詳細(xì)論述的基礎(chǔ)上，就建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減振和振動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行深入分析和研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；隔震；消能減振；振動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）21-0090-02

1 隔震和消能減振原理概述

1.1 隔震原理

常見(jiàn)的建筑結(jié)構(gòu)防震系統(tǒng)在隔震層的設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往將整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)劃分為上部結(jié)構(gòu)、隔震層以及下部結(jié)構(gòu)三層（如圖1）。遭受地震時(shí)，地震所釋放出來(lái)的破壞力會(huì)經(jīng)下部結(jié)構(gòu)傳輸?shù)礁粽饘又校粽饘又械目拐鹪O(shè)備消耗和吸收了絕大部分地震能量，最終傳遞至上部結(jié)構(gòu)的地震破壞力只有很少的一部分。通過(guò)隔震層的設(shè)計(jì)，改變了上部結(jié)構(gòu)周期，有效降低了上部結(jié)構(gòu)對(duì)地震的反應(yīng)，讓其在受到地震襲擊之后仍然能夠保持良好的彈性。如果設(shè)計(jì)的隔震層強(qiáng)度足夠大，地震能量往往只會(huì)造成比較小的影響，甚至保持自然彈塑性發(fā)生形變的初期狀態(tài)，從而將地震能量對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響降至最低。

1.2 減振原理

消能減震就是在建筑結(jié)構(gòu)中放置能耗部件以消耗地震能量，并達(dá)到耗能減振的目的。一旦地震來(lái)襲，建筑結(jié)構(gòu)中放置的能耗部件會(huì)因?yàn)樽陨韽椝芴匦詠?lái)合理控制建筑結(jié)構(gòu)的形變，能夠有效吸收和消耗地震剪力，從而有效降低地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)所造成的破壞。這種能耗部件的這一特性，能夠有效改善部分建筑構(gòu)件的抗震能力，和傳統(tǒng)防震原理相比，利用減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行防震具有一定的技術(shù)優(yōu)越性，通過(guò)以柔克剛的原理實(shí)現(xiàn)了抗震防震技術(shù)的重大突破。

2 建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減振和振動(dòng)控制技術(shù)分析

2.1 被動(dòng)控制

被動(dòng)控制指的通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)自身調(diào)節(jié)，不依靠外力，經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證，能夠起到減小地震作用的處理方法。這種控制方式廣泛應(yīng)用于非承重構(gòu)件的調(diào)節(jié)中，形成一種消能裝置結(jié)構(gòu)減震體系，達(dá)到隔震和消能減震的目的。被動(dòng)控制主要分為三種類型：一是耗能減振。這種方法就是通過(guò)能量消散達(dá)到減振的目的，實(shí)際應(yīng)用中往往作為系統(tǒng)綜合體使用，既能有效抵御強(qiáng)大的外力作用，又能對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)起到有效地保護(hù)作用，把地震造成的損失降至最低。二是沖擊減振。通過(guò)沖擊吸收彈性碰撞有效降低和耗散地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)因遭受地震而發(fā)生震動(dòng)時(shí)，擺錘就會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行撞擊使結(jié)構(gòu)震動(dòng)得以衰減。擺錘還能起到吸振器的作用。三是吸振減振。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)因受到外力侵襲而發(fā)生振動(dòng)或位移時(shí)，安裝在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的阻尼結(jié)構(gòu)能夠有效消化能量，并在其內(nèi)部形成新的結(jié)構(gòu)方式來(lái)有效應(yīng)對(duì)新的外力作用，避免建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

2.2 主動(dòng)控制

當(dāng)建筑物結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)烈地震剪力作用時(shí)，可以通過(guò)利用外部能源物質(zhì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)采取一定的處理措施，以改變建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能，這就是主動(dòng)控制技術(shù)。通過(guò)采用主動(dòng)控制技術(shù)，能夠有效降低地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞力，主動(dòng)控制的基本原理主要是通過(guò)利用先進(jìn)的高科技產(chǎn)品，如傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。如果建筑物遇到一定強(qiáng)度的外部刺激時(shí)，能夠及時(shí)將信息傳遞到計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)中，通過(guò)智能數(shù)據(jù)模型分析和對(duì)比，獲得應(yīng)施加的外力數(shù)值，向外部能源驅(qū)動(dòng)發(fā)布命令，讓其采取有效地處理措施，從而達(dá)到減振的目的。

2.3 半主動(dòng)控制

所謂的半主動(dòng)控制指的是在采取主動(dòng)控制措施的同時(shí)采取被動(dòng)控制方法，在實(shí)際應(yīng)用中，該控制技術(shù)主要以被動(dòng)控制為主導(dǎo)，而主動(dòng)控制充當(dāng)輔助的角色。一旦遇到地震剪力作用，能夠及時(shí)調(diào)節(jié)建筑結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件相關(guān)參數(shù)，讓其動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生改變，足以應(yīng)對(duì)小地震。如果地震強(qiáng)度過(guò)大，僅僅依靠被動(dòng)控制已經(jīng)難以達(dá)到預(yù)定的減振效果，為了確保建筑結(jié)構(gòu)足夠安全，還應(yīng)采取主動(dòng)控制措施對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)處理。

2.4 混合控制

這種控制方式既吸收了主動(dòng)控制的抗震效果，又融合了被動(dòng)控制分散和消耗地震破壞力的顯著優(yōu)勢(shì)。所以，混合控制方式具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。如主動(dòng)控制與阻尼耗能裝置相互結(jié)合、基礎(chǔ)隔震與主動(dòng)控制共同作用等混合控制裝置在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。

2.5 控制技術(shù)綜合分析

盡管主動(dòng)控制抗震效果比較明顯，但由于目前我國(guó)在該技術(shù)上仍然存在諸多不足，導(dǎo)致其缺乏實(shí)用性。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的逐漸完善，高層建筑如雨后春筍般紛紛拔地而起，這些建筑能量消耗必然巨大。同時(shí)主動(dòng)控制主要利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)模型，這個(gè)過(guò)程中就需要涉及復(fù)雜的程序算法，這類人才我國(guó)目前極為缺乏。很顯然，如果僅僅采用主動(dòng)控制方式，勢(shì)必造成巨大的成本支出。相比較而言，被動(dòng)控制的實(shí)用性和靈活性反而更勝一籌，在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分普遍。而半主動(dòng)控制則實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)與被動(dòng)控制的有機(jī)結(jié)合，讓各種技術(shù)措施優(yōu)勢(shì)得以充分體現(xiàn)，既安全又經(jīng)濟(jì)，市場(chǎng)發(fā)展前景十分廣闊。

3 建筑結(jié)構(gòu)隔震、減振及振動(dòng)控制技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，為了有效降低因地殼運(yùn)動(dòng)而對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的不利影響，應(yīng)不斷加強(qiáng)隔震、消能減震以及振動(dòng)控制技術(shù)方面的研究與應(yīng)用。同時(shí)人們對(duì)于居住環(huán)境提出了更新更高的要求，不能僅關(guān)注居住環(huán)境的是舒適性，還要注意房屋的安全性。相關(guān)專家學(xué)者也逐漸把研究的重點(diǎn)從理論與實(shí)踐研究而轉(zhuǎn)向工程試點(diǎn)和應(yīng)用方向，重視隔震體系應(yīng)用，并取得顯著成績(jī)。同時(shí)，國(guó)家應(yīng)當(dāng)建立建筑基地，讓相關(guān)理論知識(shí)能夠得以運(yùn)用于實(shí)踐之中，這樣既能在實(shí)際中使建筑結(jié)構(gòu)布置方案更加豐富，也能讓建筑工程研究方向得到進(jìn)一步延伸，促進(jìn)建筑質(zhì)量提升，從而掌握更多地建筑結(jié)構(gòu)布置方法。建筑結(jié)構(gòu)隔震、減振、振動(dòng)控制技術(shù)能夠最大限度地降低地震破壞性能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的損傷，在多種建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，其未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展前景廣闊。

但是值得注意的是，增加阻尼在降低建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)位移和控制形變的過(guò)程中，可能會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)絕對(duì)速度變大，對(duì)建筑內(nèi)部設(shè)備及人員安全造成不利影響。在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往具有多個(gè)不同的方針標(biāo)準(zhǔn)，如果采用半主動(dòng)控制技術(shù)，就能滿足不同防震級(jí)別的需求，適應(yīng)力比較強(qiáng)，能夠產(chǎn)生起到比較良好的消能減震作用。同時(shí)，還應(yīng)致力于新型構(gòu)件的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)眾多領(lǐng)域科技成果的有效融合，為人們居住環(huán)境安全提供保障，社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值突出。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，隨著隔震、消能減振和振動(dòng)控制技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中的推廣與應(yīng)用，極大地促進(jìn)了我國(guó)抗震減振事業(yè)的發(fā)展，促使很多在抗震減振過(guò)程中的問(wèn)題迎刃而解。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真思考建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)的規(guī)律，根據(jù)工程實(shí)際采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的抗震結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用合理的防震、減振技術(shù)措施，將地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞降至最低。

參考文獻(xiàn)

[1]胡昌林.建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減振和振動(dòng)控制策略探索[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2016，15（9）：48-49.

[2]王旭.論減隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)：引文版，2017（1）：00059-00059.

[3]趙志鵬，殷棕康，曹麗麗.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔震和消能減震措施分析[J].民營(yíng)科技，2016（12）：148-148.

[4]劉高峰，唐雨虹，李志華.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的隔震減震措施[J].工程技術(shù)：引文版，2017（2）：00259-00259.endprint