建筑結(jié)構(gòu)的減震技術(shù)的研究

1、建筑結(jié)構(gòu)的減震技術(shù)的研究    【摘 要】減震控制技術(shù)是一種抗震加固的新方法，同傳統(tǒng)抗震體系相比，更加有效、安全、適用、可靠。本文根據(jù)筆者多年經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)資料，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的減震控制技術(shù)進(jìn)行了概念性的介紹,并且介紹了當(dāng)前各種減震控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用發(fā)展前景。 【關(guān)鍵詞】建筑；抗震；加固 1 引言 隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展,人們生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)建筑物的安全性、適用性和耐久性的要求不斷增強(qiáng),越來越多的新型體系隨之發(fā)展起來,同甘共苦時(shí),對(duì)已有結(jié)構(gòu)的維護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)加固也引起了工程界的廣泛重視。我國地域廣闊地震災(zāi)害較多,對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的要求也較高。在抗震

2、加固方面,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固改造是通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度來達(dá)到目的的,改造后的房屋普遍存在著上剛下柔、頭重腳輕等不利于抗震的因素?，F(xiàn)在,國內(nèi)外許多從事抗震研究的工作者已把目標(biāo)轉(zhuǎn)向采用減震控制技術(shù)作為結(jié)構(gòu)抗震加固改造的新方法并進(jìn)行了系列的研究工作,為加固改造技術(shù)開辟了新的、更為有效的途徑。 2 工程結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國建筑抗震技術(shù)得到了很大的提高。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)原則中利用結(jié)構(gòu)自身儲(chǔ)存和消耗地震能量來滿足抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),是一種消極被動(dòng)的抗震方法。合理有效的抗震途徑是采取結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù),即對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制機(jī)構(gòu)系統(tǒng),由其與結(jié)構(gòu)自身共同發(fā)揮作用,以調(diào)諧和減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。結(jié)構(gòu)控制

3、可分為主動(dòng)控制、被動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制。 2.1 被動(dòng)控制 被動(dòng)控制是一種不需要外部能源的減震控制技術(shù),一般是在結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位附加一個(gè)子系統(tǒng)或?qū)Y(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件進(jìn)行構(gòu)造上的處理,以改變結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性。被動(dòng)控制已成為目前應(yīng)用開發(fā)的熱點(diǎn),許多被動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)日趨成熟,并已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。被動(dòng)控制從控制機(jī)理上可分為基礎(chǔ)隔震和耗能減震兩大類。 2.1.1 基礎(chǔ)隔震 基礎(chǔ)隔震技術(shù)是指在建筑物或構(gòu)筑物基底設(shè)置控制機(jī)構(gòu)來隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸,使結(jié)構(gòu)振動(dòng)減輕,防止地震破壞?？v觀隔震技術(shù)的發(fā)展,可以看出近年來隔震技術(shù)有以下特點(diǎn): （1）隔震技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣,數(shù)量越來越多。隔震技術(shù)

4、不僅在新建工程中獲得廣泛應(yīng)用,而且在現(xiàn)有建筑的加固工程中得到應(yīng)用。 （2）隔震建筑的結(jié)構(gòu)形式日趨多樣化,已從早期主要應(yīng)用于砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展到鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)。 （3）可供選擇的隔震裝置越來越多,新的隔震方法不斷提出,并且采用混合隔震技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。目前研究開發(fā)的基礎(chǔ)隔震技術(shù)主要有:夾層橡膠墊隔震、摩擦滑移隔震、滾珠及滾軸隔震、支撐式擺動(dòng)隔震和混合隔震等。 2.1.2 耗能減震 耗能減震是把結(jié)構(gòu)物的某些構(gòu)件如:支撐、剪力墻等設(shè)計(jì)成耗能元件,或者在結(jié)構(gòu)的某些部位如:節(jié)點(diǎn)、連接處等裝設(shè)阻尼器。在風(fēng)荷載和小震作用下,這些耗能元件與阻尼器處于彈性狀態(tài),使結(jié)構(gòu)體系具有足夠的側(cè)向剛

5、度以滿足正常使用要求。在強(qiáng)震作用下,耗能元件或阻尼器首先進(jìn)入非彈性狀態(tài),產(chǎn)生較大的阻尼,大量消耗入結(jié)構(gòu)的地震能量,使主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)減小,避免進(jìn)入明顯的非彈性狀態(tài),從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中免遭破壞。耗能減震作為一種結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制措施是將地震輸入結(jié)構(gòu)的能量引向特別設(shè)置的機(jī)構(gòu)和元件加以吸收和耗散,從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全,它具有以下優(yōu)點(diǎn): （1）安全,依靠耗能裝置大量耗散地震能量,達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的。 （2）經(jīng)濟(jì)、采取“柔性耗能”的概念可減少剪力墻數(shù)量、減小構(gòu)件的斷面和配筋。 （3）合理,通過耗能裝置耗散能量以減輕地震反應(yīng)。 （4）適用范圍廣,維護(hù)費(fèi)用低等。 目前,常用的耗能裝置有以下幾種: 1

6、摩擦耗能減震裝置; 2粘彈性阻尼器; 3金屬阻尼器; 4粘滯阻尼器; 5復(fù)合型耗能器。 2.2 主動(dòng)控制 主動(dòng)控制是一種需要外部能源的減震控制技術(shù),它是通過施加與振動(dòng)方向相反的控制力來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減震控制的。其工作原理如下:傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和外部激勵(lì),將監(jiān)測(cè)的信息送入計(jì)算機(jī)內(nèi), ,計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的算法給出應(yīng)施加的力的大小,最后,由外部能源驅(qū)動(dòng),控制系統(tǒng)產(chǎn)生所需的力。目前研究和開發(fā)的控制力型主動(dòng)控制裝置主要有:主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、主動(dòng)拉索系統(tǒng)、主動(dòng)支撐系統(tǒng)、主動(dòng)空氣動(dòng)力擋風(fēng)板系統(tǒng)、氣體脈沖發(fā)生器等。 2.3 半主動(dòng)控制 半主動(dòng)控制是利用控制機(jī)構(gòu)來主動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)在地震過程中的參數(shù)來達(dá)到減震目的的,

7、其對(duì)外部能源需求量很低,可以不用強(qiáng)電,而由弱電能源存儲(chǔ)器,如蓄電池等來提供。半主動(dòng)控制往往采用開關(guān)控制,通過開關(guān)改變控制器的工作狀態(tài),從而改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。目前較為典型的半主動(dòng)控制裝置有:可變剛度系統(tǒng)、可變阻尼系統(tǒng)、主動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、可控液體阻尼器、可控摩擦式隔震系統(tǒng)等。 2.4 混合控制 混合控制是主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的聯(lián)合應(yīng)用。這種控制系統(tǒng)充分利用了主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的各自優(yōu)點(diǎn),它既可以通過被動(dòng)控制系統(tǒng)大量耗散地震能量,有可以利用主動(dòng)控制系統(tǒng)來保證控制效果,因此有著良好的工程應(yīng)用價(jià)值。 混合控制裝置主要有以下幾種:主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)與調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)或調(diào)諧液體阻尼系統(tǒng)相結(jié)合的混合控制

8、;主動(dòng)控制與阻尼耗能相結(jié)合的混合控制;主動(dòng)控制與基礎(chǔ)隔震相結(jié)合的混合控制等。 在這四種控制技術(shù)中,主動(dòng)控制的效果最好,但由于建筑結(jié)構(gòu)體型巨大導(dǎo)致所需的外加能源較大,加之控制裝置的控制算法比較復(fù)雜,因此其應(yīng)用程度少于其他三種控制技術(shù);被動(dòng)控制造價(jià)低廉,減震效果良好,容易實(shí)現(xiàn),目前發(fā)展最快,應(yīng)用最廣;半主動(dòng)控制介于主動(dòng)控制和被動(dòng)控制之間,其控制精確度較高,造價(jià)較主動(dòng)控制低謙,而且不需要較大的動(dòng)力源,因此其具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景;混合控制綜合了某幾種控制的優(yōu)點(diǎn),因此其具有良好的控制效果,發(fā)展前景較為廣闊。 3 結(jié)束語 隨著抗震知識(shí)的不斷完善和國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,對(duì)現(xiàn)有建筑物的抗震加固越來越多,抗震加固方法已從傳統(tǒng)的方法不斷趨向多樣化5。目前新發(fā)展起來的減震控制技術(shù)在工程應(yīng)用上有明顯優(yōu)勢(shì),為建筑的抗震設(shè)計(jì)和抗震加固提供了一條嶄新的途徑,它克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)“硬碰硬”式的抗震設(shè)計(jì)方法,具有概念簡單、減震機(jī)理明確、減震效