結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)最優(yōu)化問題研究

鄭維成 貴州水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究生

地震是不可抗拒的自然災(zāi)害，會(huì)嚴(yán)重破壞地形和各種建筑，給人類造成巨大的生命危害和財(cái)產(chǎn)損失。地震災(zāi)害造成的各種建筑物毀壞，使人們清楚地認(rèn)識(shí)到建筑物應(yīng)具有足夠的抗震能力[1]。

1 建筑結(jié)構(gòu)減震概述

建筑物的抗震減震性能與阻尼有著直接關(guān)系，建筑物的阻尼大小對(duì)于消耗地震能量有著重要作用。減震措施正是利用這一點(diǎn)，通過增加建筑的阻尼來消耗地震來時(shí)的地震能量，從而保護(hù)主題結(jié)構(gòu)免受震害或減輕震害。

一般效能構(gòu)建應(yīng)設(shè)在結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向，這樣可使兩個(gè)方向的阻尼和剛度都有附加。在高層建筑設(shè)計(jì)中，要充分利用這一功能，適當(dāng)調(diào)整建筑設(shè)施內(nèi)部的阻尼值，利用建筑設(shè)施的阻尼來降低地震帶來的損害[2]。

為了更好地保證主體建筑的穩(wěn)定性和抗震性，使其能最大限度地抵御地震帶來的災(zāi)害，建筑減震已成為建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

我國發(fā)生過幾次重大地震后，越來越重視建筑內(nèi)部的抗震和減震設(shè)計(jì)，減少建筑物的結(jié)構(gòu)變形，對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面保護(hù)，以防建筑遭到嚴(yán)重的損壞。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式

2.1 建設(shè)地基時(shí)應(yīng)用特殊材料

為了減少地震波對(duì)建筑的負(fù)面影響，必須保證地基的減震、基礎(chǔ)設(shè)施的特殊加工和墊層的鋪設(shè)。鋪墊的材料通常為沙子、黏土等建筑材料[3]。通過這些辦法來減緩地震帶來的影響，以地震能消耗為主要形式，確保建筑的安全和穩(wěn)定。

2.2 基礎(chǔ)減震

減震措施應(yīng)設(shè)在基座或主體結(jié)構(gòu)中，這種減震設(shè)計(jì)相對(duì)來說屬于是比較傳統(tǒng)的，因此在施工過程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。該方法主要適用于個(gè)別地區(qū)的設(shè)施，如果將其應(yīng)用于高層建筑，不僅達(dá)不到更高的抗震強(qiáng)度，而且能延長建筑工程的自然地震周期。所以，根據(jù)實(shí)際情況，技術(shù)人員應(yīng)在建筑中采取減震措施，防止地震來臨時(shí)給廣大人民群眾帶來人身危害和財(cái)產(chǎn)損失[4]。

2.3 結(jié)構(gòu)懸掛減震

在建筑中應(yīng)用結(jié)構(gòu)懸掛減震措施，可以降低地震發(fā)生時(shí)給建筑結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)帶來的損耗。地震發(fā)生時(shí)，懸掛結(jié)構(gòu)不會(huì)受到地震的破壞，建筑物的破壞程度可以降至最低。結(jié)構(gòu)懸掛措施主要應(yīng)用于大型鋼結(jié)構(gòu)建筑，結(jié)構(gòu)懸掛減震原理是在地震中隨著地殼的運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的主體框架，并用鏈條將其連接起來，使之更好地發(fā)揮作用[5]。如果地震轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的部位，地震帶來的震動(dòng)也可以逐漸轉(zhuǎn)移。這種隔離措施可以減少地震對(duì)建筑設(shè)施造成的破壞，但其負(fù)荷大，不適用于一般建筑設(shè)施。

2.4 控制受損構(gòu)件

對(duì)結(jié)構(gòu)斷裂的分析表明，應(yīng)控制受損構(gòu)件，使其達(dá)到預(yù)期的形式，以控制損傷效應(yīng)，并且建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)足夠堅(jiān)固、耐用。在結(jié)構(gòu)的特定位置設(shè)置一定數(shù)量的人工塑性帶，以控制塑性程度和范圍，也是在發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)形成能量損失的最佳機(jī)制，在一定程度上保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

2.5 梁的延展性設(shè)計(jì)

當(dāng)連續(xù)梁的跨高比為5 時(shí)，連續(xù)梁的強(qiáng)度和能量損失性能極為優(yōu)秀。連續(xù)梁兩端相對(duì)于豎向位移的密度系數(shù)大于8，如果連續(xù)梁跨寬與高之比減小為1，連續(xù)梁兩端韌性系數(shù)降低至3 左右，滯回曲線非常干燥平坦，而且能耗低、韌性低。一般剪力墻的韌性系數(shù)一般在1 左右，要想在彈塑性階段起到能量損失的作用，必須采取一些措施，以滿足韌性和能量損失的要求。其中一個(gè)措施是在中心水平面留一個(gè)比梁高0.5 倍的高度，通過接縫在水平面上下兩側(cè)插入鋼板，在鋼板上形成橢圓形螺栓孔，最后用高強(qiáng)度螺栓將兩塊鋼板連接起來。在下面豎向荷載、風(fēng)荷載，共同作用于連續(xù)梁的兩個(gè)部分，為了保持剛性連續(xù)梁的總剛度，保證其在彈性階段工作，發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)兩塊鋼板相對(duì)滑動(dòng)，跨高為1 的剛性連續(xù)梁將在跨高比為2 的兩個(gè)小梁中共同工作。該設(shè)計(jì)方案不僅使韌性系數(shù)由3提高到10，而且在一定程度上改善了鋼板間滑動(dòng)的損耗性能。

2.6 建筑中柱的延展性設(shè)計(jì)

雖然設(shè)計(jì)師不希望柱上出現(xiàn)塑料鉸，但仍然需要一定的彈性和能量耗散能力，以確保建筑不會(huì)出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象，螺旋箍筋可顯著提高柱的強(qiáng)度和軸壓強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)本身的延展性，提高構(gòu)件結(jié)構(gòu)抗震能力。建筑結(jié)構(gòu)耗能設(shè)計(jì)只能從建筑結(jié)構(gòu)的配置量和建筑材料的種類來實(shí)現(xiàn)，以提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3 建筑中的減震節(jié)能結(jié)構(gòu)

目前在建筑控制和減振設(shè)計(jì)中，存在一些優(yōu)化問題，如減振器和阻尼器的參數(shù)調(diào)整和位置優(yōu)化，人工塑性鉸的位置、數(shù)量和順序的優(yōu)化；建筑破壞構(gòu)件的控制理論要求：框架結(jié)構(gòu)在中強(qiáng)地震作用下，梁兩端只出現(xiàn)塑性鉸；在發(fā)生大地震時(shí)，塑性鉸只出現(xiàn)在柱的底部，從而形成輻射式的橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)制，并且保持節(jié)點(diǎn)始終是彈性的。在減震結(jié)構(gòu)中，中等地震作用下，塑性鉸只出現(xiàn)在連接梁的兩端，而塑性鉸一般只出現(xiàn)在墻的根部，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析可知，再出現(xiàn)中等震度時(shí)，塑性鉸只出現(xiàn)在連續(xù)梁的兩端，只有在大型地震發(fā)生時(shí)，塑性鉸出現(xiàn)在框架柱的根部。

通過調(diào)整梁端剛度與柱端剛度的比值，來保證梁端與柱端連接處延展性。環(huán)向剛度的缺陷可通過連接梁、框架、柱、墻來控制，通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，在彈性階段，設(shè)計(jì)的抗震剪力墻能提高建筑結(jié)構(gòu)的整體性，減小側(cè)向變形，并具有比普通連體剪力墻更強(qiáng)的交叉抗力；在彈塑性階段，剛性連續(xù)梁將折減為兩個(gè)跨度為0.5 的小梁。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減震設(shè)計(jì)措施

4.1 在建筑結(jié)構(gòu)中重視減震設(shè)計(jì)

隨著科技的發(fā)展，越來越多的新建筑理念應(yīng)用于建筑中。隨著我國信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，使人們了解到越來越多的相關(guān)信息，也使得人們對(duì)建筑的安全性變得高度重視。在建筑物建設(shè)過程中，廣大群眾對(duì)建筑物抗震性的關(guān)注越來越多，要想提高總抗震能力，就要加強(qiáng)各基礎(chǔ)部分，并對(duì)相應(yīng)的建筑物基礎(chǔ)部分進(jìn)行特殊處理，解決相關(guān)質(zhì)量問題。同時(shí)，在建筑物的每個(gè)部分安裝相應(yīng)的阻尼裝置，相應(yīng)的阻尼可以減輕地震的影響。

4.2 優(yōu)化建筑加強(qiáng)層設(shè)計(jì)

加強(qiáng)層是一種在地基上具有足夠剛度的水平結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)層一般位于結(jié)構(gòu)中心上方，減少了上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，從而減小地震災(zāi)害的內(nèi)應(yīng)力，在高層建筑的施工中必須避免在頂層設(shè)置加強(qiáng)層。另外，車間的裝甲層也可以使用加強(qiáng)層，滿足柱剛度和強(qiáng)柱弱梁的要求。如果高層建筑對(duì)抗震結(jié)構(gòu)要求很高，則可以通過多層加固提高核心的剛度。根據(jù)高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和抗震標(biāo)準(zhǔn)，選擇切實(shí)可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

4.3 加強(qiáng)構(gòu)建減震措施

地震發(fā)生時(shí)，大部分建筑都會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重程度不一的結(jié)構(gòu)損壞，最嚴(yán)重的就是建筑物內(nèi)部發(fā)生水平位移。所以，必須建立適當(dāng)?shù)臏p震層。良好的減震層施工可以保證整個(gè)結(jié)構(gòu)沒有質(zhì)量問題，能夠最大限度地承受內(nèi)部結(jié)構(gòu)的水平位移[6]。就整體設(shè)計(jì)而言，減震配置上應(yīng)設(shè)置減震節(jié)點(diǎn)，減震縫的總寬度不能太寬，整個(gè)結(jié)構(gòu)不僅要采用豎向減震，還應(yīng)設(shè)計(jì)水平減震層。通過建造相應(yīng)減震節(jié)點(diǎn)，可以將地震造成的損害降至最低，以此來保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

5 結(jié)語

在隔震和能消能減震設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：一是隔震裝置、消能構(gòu)件的各項(xiàng)性能參數(shù)都要經(jīng)過專門的試驗(yàn)確定。二是隔震和消能減震裝置應(yīng)設(shè)置在便于檢查及替換的部位。三是設(shè)計(jì)人員應(yīng)注明隔震減震的具體要求，安裝、檢測(cè)和施工都應(yīng)按照相關(guān)的規(guī)程進(jìn)行，保證裝置和各項(xiàng)性能都符合要求。隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，隔震和消能減震技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。相比傳統(tǒng)的抗震技術(shù)來講，隔震和消能減震技術(shù)的應(yīng)用對(duì)地震的削弱作用非常明顯，對(duì)于保證地震時(shí)建筑物的安全和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全具有著重要的意義。我國大部分地區(qū)都會(huì)遭遇一些地震災(zāi)害，為確保我國建筑業(yè)的發(fā)展質(zhì)量，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要嚴(yán)格進(jìn)行減震設(shè)計(jì)，把建筑物的抗震問題放在重要位置，總結(jié)各國抗震經(jīng)驗(yàn)，正確進(jìn)行建筑抗震設(shè)計(jì)，從而提高我國建筑結(jié)構(gòu)抗震水平。