現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)性抗震及控振技術(shù)研究

馬鍇

摘 要：本文主要闡述了現(xiàn)階段建筑的結(jié)構(gòu)性抗震及控振技術(shù)在理論及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用研究現(xiàn)狀。在結(jié)構(gòu)性抗震及控振技術(shù)已相對(duì)比較成熟的基礎(chǔ)上，學(xué)術(shù)界應(yīng)把關(guān)注點(diǎn)放在體系化、統(tǒng)一化、優(yōu)化、局部構(gòu)建設(shè)計(jì)、新材料及技術(shù)的研發(fā)（如抗阻尼構(gòu)件）等方面。相比主動(dòng)控制的相關(guān)研發(fā)及技術(shù)應(yīng)用，新材料及施工技術(shù)開(kāi)發(fā)以性價(jià)比為導(dǎo)向，盡管技術(shù)和施工策略還有待進(jìn)一步挖掘，但半主動(dòng)控制在研發(fā)和應(yīng)用方面發(fā)展前景良好。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)性抗震;控振技術(shù);半主動(dòng)控制;建筑

中圖分類號(hào)：TU352.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）07-0115-03

Abstract： This paper reviewed the current situation of the application of structural seismic and vibration control technology in theory and practice field. Based on the relatively mature structural seismic and vibration control technologies， the academia can focus on systematization， unification， optimization， local construction design， research and development （R&D） of new materials and technologies （such as anti-damping components）. Compared with the related R&D and technology application of active control， the prospects of semi-active control in R&D and application are widely respected. Although technology and construction strategy need to be further explored， semi-active control has a good prospect in research and development and application.

Keywords： structural seismic; vibration control technology; semi-active control; building

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施及房屋建筑發(fā)展，相關(guān)單位對(duì)結(jié)構(gòu)性抗震及控振技術(shù)方面研究逐漸深入，具體項(xiàng)目應(yīng)用逐漸常態(tài)化。學(xué)術(shù)界以把理論研究、策略設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)證分析拓展到實(shí)際建筑施工技術(shù)和實(shí)操領(lǐng)域，廣泛使用應(yīng)對(duì)地震的相關(guān)技術(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化方面已經(jīng)發(fā)展較為成熟。歷史上的一些著名事件對(duì)本文提及的技術(shù)發(fā)展起到了一定作用，如美國(guó)加州北嶺地震和日本兵庫(kù)縣南部地震中，有的建筑使用了橡膠支座，在地震中沒(méi)有坍塌。在地震中未倒塌的房屋運(yùn)用的橡膠支座基礎(chǔ)隔震技術(shù)，為今后現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)性抗震及控振技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并朝著產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。此外，本文提到的另一關(guān)鍵技術(shù)——主動(dòng)性控制，相對(duì)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，且需大量外在能源支持，當(dāng)前仍處于發(fā)展階段。相較而言，較為折中的辦法是采用半主動(dòng)和混合控制，由于對(duì)于外在能源支持性依賴較小而被廣泛采用。本文將對(duì)涉及的中外文獻(xiàn)進(jìn)行回顧總結(jié)，并提出一定的建設(shè)性意見(jiàn)。

1 隔震技術(shù)發(fā)展回顧

建筑隔震技術(shù)是阻止地震產(chǎn)生的巨大能量傳至建筑體的方法。隨著我國(guó)對(duì)建筑安全性的要求越來(lái)越高，建筑企業(yè)已經(jīng)提出了諸多可應(yīng)用性的隔震方案?，F(xiàn)階段，較大規(guī)模采用的是經(jīng)過(guò)特殊加工的鋼制結(jié)構(gòu)板材和橡膠綜合應(yīng)用技術(shù)，即疊層鋼板橡膠支座（Laminated Steel Plate Rubber Bearing，LPRB）、復(fù)位性綜合預(yù)應(yīng)力彈簧技術(shù)和水平滑動(dòng)板裝結(jié)構(gòu)、摩擦擺體系（Friction Pendulum System，F(xiàn)PS）和綜合運(yùn)用上述方案的技術(shù)復(fù)合方案[1]。

FPS本質(zhì)上是依靠重力復(fù)位原理的摩擦擺滑動(dòng)機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖1），分為上下兩部分，牽扯兩部分自振動(dòng)周期，隨著上半部結(jié)構(gòu)的自振周期改變，隔震結(jié)構(gòu)的自振周期呈相反變化，上面越短，整體自振動(dòng)周期會(huì)越長(zhǎng)。表達(dá)式如下：

[T=2πR/g] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，R是結(jié)構(gòu)中滑動(dòng)球面的半徑值;g表示重力加速度;T為自振動(dòng)周期。

采用圖1所示結(jié)構(gòu)時(shí)，構(gòu)件的自振動(dòng)周期不受上半部的構(gòu)件負(fù)載值的影響，上部構(gòu)件和下部底座之間的接觸形式為水平面接觸，最重要的是通過(guò)滑動(dòng)來(lái)消耗傳導(dǎo)能量。與摩擦滑塊和滑動(dòng)面不同的是，滾軸裝置接觸模式為線接觸，而滾球裝置為點(diǎn)接觸方式，缺點(diǎn)是對(duì)大載荷支撐有限，一般僅能支撐調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）;優(yōu)點(diǎn)是具有較高的性價(jià)比，被廣泛應(yīng)用。但由于該機(jī)構(gòu)本身沒(méi)有自復(fù)位能力，因此應(yīng)該采用彈性或彈塑性恢復(fù)元件[2]。

LPRB綜合防震抗震技術(shù)在實(shí)際施工中被大范圍應(yīng)用，造價(jià)處于相對(duì)較低的水平。缺點(diǎn)是對(duì)地震縱向能量的減弱能力不佳，水平方向的能量使建筑物產(chǎn)生共振可能，縱向能量對(duì)上半部機(jī)件造成一定破壞，橫向能量則對(duì)下半部機(jī)件造成破壞。近年來(lái)的研究主要致力于對(duì)LPRN剛度和扭轉(zhuǎn)特性的理論分析與試驗(yàn)。現(xiàn)階段，在施工實(shí)踐中，上述技術(shù)面對(duì)的主要問(wèn)題還是價(jià)格。因此，相關(guān)領(lǐng)域需要進(jìn)一步研發(fā)性價(jià)比高的隔震橡膠支座及相關(guān)配件，充分發(fā)揮該技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但不能一味追求低價(jià)而放棄安全性。

2 控振技術(shù)回顧

在技術(shù)層面上，控振技術(shù)是將來(lái)自于地震的巨大動(dòng)能傳導(dǎo)至預(yù)制好的控振構(gòu)件并利用該構(gòu)件的物理結(jié)構(gòu)特性削減該能量，擺脫了原有的依靠加強(qiáng)建筑物本身剛性來(lái)抵御地震高強(qiáng)度能量的現(xiàn)象。但這并不意味著控振技術(shù)與構(gòu)件是萬(wàn)能的，因?yàn)榭卣裨旧戆诮ㄖ?nèi)部，從整體上說(shuō)也是建筑的組成部分，不可能完全使建筑物其他構(gòu)件免遭地震侵害。

2.1 摩擦阻尼器

摩擦阻尼器是一種較為傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)，具備簡(jiǎn)單的彈性機(jī)制，與建筑物主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件相結(jié)合進(jìn)行合理使用。通過(guò)力學(xué)設(shè)計(jì)，該機(jī)器能夠使摩擦阻尼器發(fā)揮最大效能，以達(dá)到最好的抗震效果[1]。

這些阻尼器選材簡(jiǎn)單，組成部件的機(jī)加工工藝并不復(fù)雜，可大規(guī)模生產(chǎn)，適合各種結(jié)構(gòu)的建筑。摩擦阻尼器本身雖無(wú)自復(fù)位能力，但可以依靠結(jié)構(gòu)本身的剛度復(fù)位，但該結(jié)構(gòu)最大的弊端是無(wú)法很好地匹配固定的鎖緊力與不同等級(jí)地震帶來(lái)的能量[3]。

2.2 軟鋼和合金阻尼器

軟鋼和合金阻尼器在性質(zhì)上是彈塑性阻尼器，滯回特性良好，可以串聯(lián)在支撐構(gòu)件中，在剪力墻頂部、梁的中間部位以及其他相對(duì)變形較大的部位均可使用。其中有一些可以與基礎(chǔ)隔震機(jī)構(gòu)并聯(lián)使用。常用的鋼制阻尼器有剪切型鋼板阻尼器、彎曲型鋼板阻尼器、剪切型峰房式梳形阻尼器、鋼環(huán)阻尼器以及應(yīng)用于房屋連接通道兩端的鐘形阻尼器。值得一提的是，偏心鋼結(jié)構(gòu)也廣泛存在于高層或者特性建筑中。

2.3 鉛阻尼器

西方國(guó)家最先研制成功的鉛阻尼器，在恒定屈服應(yīng)力作用下應(yīng)用純鉛，從小孔流出時(shí)可視為不可壓縮彈塑性介質(zhì)的無(wú)摩擦擠壓特性，設(shè)計(jì)了收縮管型和凸軸型擠壓的阻尼器，已經(jīng)應(yīng)用在很多建筑中。該阻尼構(gòu)件物理力學(xué)特性良好，適用性強(qiáng)，其機(jī)理與通過(guò)摩擦減震的構(gòu)件有異曲同工之效，在施工之前可以設(shè)定預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，但在完工后不可更改。極限設(shè)定一定要考慮周全，要兼顧成本與實(shí)用以減小在地震中的損害，如圖2所示。

3 主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制與混合控制

3.1 主動(dòng)控制

抗震技術(shù)中的主動(dòng)控制即最新的技術(shù)手段，對(duì)地震能量來(lái)源和建筑反應(yīng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)算，再按照模型測(cè)算結(jié)果應(yīng)用加力裝置對(duì)建筑采取相應(yīng)控制，以達(dá)到實(shí)時(shí)主動(dòng)控制的目的，使結(jié)構(gòu)在地震和其他動(dòng)力作用下響應(yīng)控制，在允許范圍內(nèi)，達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)和設(shè)備免遭損傷的目的。主動(dòng)控制是較為先進(jìn)的防震耗能技術(shù)，具有很大的研究意義。

3.2 油阻尼半主動(dòng)控制

半主動(dòng)控制在一定程度上能達(dá)到主動(dòng)控制的效果，又不需要消耗巨大的能源，因此，可以用于既有建筑的防震改造工程。我國(guó)應(yīng)用國(guó)產(chǎn)的電液伺服閥發(fā)展了變阻尼半主動(dòng)控制系統(tǒng)，提出了兩個(gè)油路設(shè)計(jì)方案，開(kāi)發(fā)了控制算法和相應(yīng)分析設(shè)計(jì)軟件，為這一技術(shù)的現(xiàn)實(shí)實(shí)踐提供了可行路徑[4]。

3.3 混合控制

混合控制指綜合運(yùn)用主動(dòng)控制與被動(dòng)控制或者更進(jìn)一步運(yùn)用更為先進(jìn)的抗震控制方式，最為普遍的運(yùn)用模式是用作動(dòng)器拖動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（HMS），如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

由于防震抗震及控振技術(shù)所受的社會(huì)經(jīng)濟(jì)激勵(lì)以及保護(hù)標(biāo)的建筑物是極為復(fù)雜、不確定的，建筑物不同于其他物體，由于物理尺度較大，建筑物本身的比重也很大，建筑物和減震機(jī)構(gòu)在靜止?fàn)顟B(tài)已經(jīng)承受了很大載荷，因此，建筑物的減震技術(shù)在理論研究、施工應(yīng)用以及成本控制各個(gè)方面都有待深入探討[5]。本文研究開(kāi)發(fā)減震抗震技術(shù)的目標(biāo)是在地震中使建筑物本身盡量不倒塌的基礎(chǔ)上進(jìn)一步保護(hù)建筑物人員安全，相對(duì)于被動(dòng)的減震抗震技術(shù)來(lái)說(shuō)價(jià)格低廉、成本較低，對(duì)施工方的技術(shù)要求也較低，被廣大施工方所接受。而更為先進(jìn)的半主動(dòng)和混合抗震減震技術(shù)則可以用于造價(jià)更高的建筑，可以適應(yīng)更為復(fù)雜的地形和更高的地震等級(jí)，以提高建筑物及人員的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡丹繹，李愛(ài)群，程文禳.調(diào)頻液體阻尼器（TLD）的等效力學(xué)模型研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，1998（1）：80-87.

[2]龍復(fù)興，趙曉紅.土木工程結(jié)構(gòu)最優(yōu)控制問(wèn)題的脈沖干擾法（PDM）[J].地震工程與工程振動(dòng)，1997（4）：89-94.

[3]楊蔚彪.低周反復(fù)荷載下二階摩擦減振控制支撐框架的試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué)，1997（4）：3-7.

[4]劉季，孫作玉.結(jié)構(gòu)可變阻尼半主動(dòng)控制[J].地震工程與工程振動(dòng)，1997（2）：92-97.

[5]周錫元.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防策略的發(fā)展[J].工程抗震，1997（1）：1-3.