建筑結(jié)構(gòu)的隔震減振和振動(dòng)控制分析

張宇彤

(山西省晉城市建筑設(shè)計(jì)院，山西晉城 048000)

0 引言

最近的幾年來，由于人們安全意識(shí)的增強(qiáng)，建筑結(jié)構(gòu)的減振、隔震與振動(dòng)控制在建筑物上的應(yīng)用逐漸增多，逐漸開始了結(jié)合實(shí)際的工程進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與理論研究，幾種使用隔震的體系取得了很大發(fā)展。

我國新《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》之中，已經(jīng)添加了消能和隔震的一些專門章節(jié)。而且在國際的方面，一般在每隔4年就會(huì)召開結(jié)構(gòu)地震相關(guān)的會(huì)議，如今已經(jīng)成為了地震工程之中前沿性的研究方向。消能的技術(shù)與減振技術(shù)在最近幾年之中也逐漸由基礎(chǔ)研究方面逐漸轉(zhuǎn)向工程的實(shí)際應(yīng)用之上。所以對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的減振、隔震與振動(dòng)控制的分析勢(shì)在必行。

1 消能減振和隔震的原理

在傳統(tǒng)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中一般以“大震震不倒，設(shè)防烈度可以修，小震震不壞”作為建筑防震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)所在，而建筑結(jié)構(gòu)一般主要依靠的是結(jié)構(gòu)上變形的吸收，并消耗地震所帶來的破壞力量。按照這樣的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，如果遇見了中小型地震，可以依靠這種吸收來將地震之中所帶來的一些破壞力量有效抵消，這個(gè)方法是有可行性的，但是一旦遇到了難以抵抗的大地震時(shí)，就不能有效確保建筑結(jié)構(gòu)的安全了。這也是許多的專家對(duì)于新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究的根本原因。

1)隔震的原理。

一般基礎(chǔ)的建筑結(jié)構(gòu)防震系統(tǒng)是對(duì)于隔震層進(jìn)行設(shè)計(jì)的，并將建筑的結(jié)構(gòu)分成3個(gè)部分，其中包括了下部結(jié)構(gòu)、隔震層和上部結(jié)構(gòu)。進(jìn)行這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使地震所釋放的破壞能量，從下部的結(jié)構(gòu)逐漸傳輸于隔震層之中，在經(jīng)過隔震層后，抗震裝備將大部分的破壞能量吸收和消耗，最后將少部分的地震破壞能量轉(zhuǎn)移于上部結(jié)構(gòu)之中。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)中隔震層設(shè)計(jì)，對(duì)上部結(jié)構(gòu)周期有了一定的改變，并降低上部結(jié)構(gòu)對(duì)于地震的一系列反應(yīng)，從而保證上部結(jié)構(gòu)在遇到了強(qiáng)烈地震之后也能夠處在一種彈性的狀態(tài)，甚至可以保持自然的彈塑性在變形初期的一種狀態(tài)，從而強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的隔振設(shè)置。

2)耗能減振的原理。

對(duì)于耗能的減振結(jié)構(gòu)來說，一般指的是建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力裝置之中，經(jīng)過有效耗能部件的設(shè)置來將耗能的減振進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。一旦建筑結(jié)構(gòu)受到地震能量侵蝕，耗能的部件與耗能的裝置經(jīng)過彈塑性的產(chǎn)生將變形滯回，來達(dá)到消耗、吸收地震帶來巨大破壞能力的目的，并降低主體結(jié)構(gòu)受到地震巨大破壞能力的影響，從而達(dá)到有效控震、減振的最終目標(biāo)。這個(gè)原理與傳統(tǒng)建筑抗震結(jié)構(gòu)的原理是恰恰相反的，它是一種以柔克剛的技術(shù)，同時(shí)也是技術(shù)領(lǐng)域的一大突破。

2 對(duì)建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的技術(shù)

在傳統(tǒng)的建筑抗震設(shè)計(jì)之中，一般主要是利用結(jié)構(gòu)的自身消耗、吸收地震破壞的力量，從而達(dá)到抗震標(biāo)準(zhǔn)的，雖然在中小地震上，能夠起到很好的作用，但是這其實(shí)是一種比較消極抵抗地震的方法。所以一般科學(xué)積極對(duì)抗地震的方法是經(jīng)過應(yīng)用結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制技術(shù)，來達(dá)到有效抗震的目的，也就是經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)自身施加的控制系統(tǒng)，使得它和結(jié)構(gòu)的自身共同發(fā)揮著對(duì)地震的抵抗作用，來減輕地震對(duì)于建筑物的不利影響。

1)主動(dòng)控制技術(shù)。

一般主動(dòng)控制是借助外部的一些能量進(jìn)行減振控制的一種技術(shù)，經(jīng)過外來振動(dòng)的相反控制力施加，來有效實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)減振的控制。

它工作的原理包含了四個(gè)小點(diǎn):

a．用傳感器對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)外部刺激與動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

b．將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。

c．經(jīng)過計(jì)算機(jī)的程序所定義的計(jì)算方式，計(jì)算出需施加力度的數(shù)目。

d．在外部的能源驅(qū)動(dòng)之上產(chǎn)生出對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的力度。

2)混合控制技術(shù)。

其對(duì)主動(dòng)控制和被動(dòng)的控制有一種聯(lián)合的作用，將兩者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行綜合，不僅能夠通過被動(dòng)裝置的控制來消耗大量的地震破壞力量，還能夠?qū)χ鲃?dòng)控制的裝置進(jìn)行有效的利用，保證控制效果，所以混合控制在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中的應(yīng)用上有著很重要的價(jià)值。一般混合控制的裝置主要包含以下幾種:阻尼耗能的裝置與主動(dòng)控制的混合裝置;主動(dòng)控制和基礎(chǔ)隔震的裝置相互結(jié)合的一種混合控制等。

3)被動(dòng)控制技術(shù)。

一般在建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制之中，被動(dòng)控制一般指的是不借助外部的力量進(jìn)行振動(dòng)控制的一種技術(shù)，它經(jīng)過建筑結(jié)構(gòu)某一個(gè)空間中的部位，進(jìn)行子系統(tǒng)的添加，或者是經(jīng)過結(jié)構(gòu)自身在構(gòu)造構(gòu)件上的一系列特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力的特性進(jìn)行有效的改善。在被動(dòng)控制這一振動(dòng)的控制技術(shù)之中，是目前的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，許多的被動(dòng)控制逐漸變得完善，并且在實(shí)際的操作之中逐漸被廣泛的應(yīng)用。

4)半主動(dòng)控制技術(shù)。

一般半主動(dòng)的控制是對(duì)于控制技術(shù)的利用，將建筑結(jié)構(gòu)地震之中的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到有效減振的目的，它其實(shí)需求外部的力量很低，基本不需要用到強(qiáng)電，只要有效對(duì)弱電進(jìn)行利用，就可以完成。而且在半主動(dòng)的控制技術(shù)之中經(jīng)常應(yīng)用到開關(guān)來進(jìn)行有效的控制，經(jīng)過對(duì)開關(guān)的一系列操作來有效控制系統(tǒng)工作的狀態(tài)，從而對(duì)建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力的特性有一定的改變。

在當(dāng)前比較典型的半主動(dòng)控制技術(shù)裝置有:可變阻尼的系統(tǒng)、可變剛度的系統(tǒng)、可控摩擦式的系統(tǒng)與參數(shù)主動(dòng)調(diào)節(jié)質(zhì)量阻尼的系統(tǒng)。

5)四種技術(shù)綜合的分析。

一般主動(dòng)控制技術(shù)在這四個(gè)技術(shù)之中的效果是最為優(yōu)異的，但是因?yàn)榻ㄖw型的巨大，會(huì)使得需要外部的能源比較多，同時(shí)它控制裝置與程序的算法也很復(fù)雜，一般對(duì)主動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用都少于其他三種技術(shù)。被動(dòng)的控制技術(shù)由于減振效果較好，且造價(jià)還比較低廉，容易實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致其成為應(yīng)用廣、發(fā)展最快的一項(xiàng)控制技術(shù)。

而半主動(dòng)控制技術(shù)是在主動(dòng)控制與被動(dòng)控制之間的一種，它控制精度較高，且造價(jià)和主動(dòng)相比來說還比較低廉，同時(shí)它不需很大外部的動(dòng)力，這種技術(shù)有著廣闊應(yīng)用的前景。對(duì)于混合的控制技術(shù)來說，它是多種控制技術(shù)的綜合，集所有控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，所以它的發(fā)展前景必定會(huì)比其他控制的技術(shù)廣闊些。

3 結(jié)語

隨著建筑結(jié)構(gòu)之中對(duì)于減振、隔震與振動(dòng)控制廣泛的研究與應(yīng)用，它會(huì)為中國建筑的抗震減振帶來一個(gè)前所未有的發(fā)展。為了能夠?qū)⒁幌盗锌拐鹬谐霈F(xiàn)的問題更好解決，在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要加大探索對(duì)于強(qiáng)震之下建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制規(guī)律，尋找造價(jià)低廉、施工穩(wěn)定、可行性較強(qiáng)的科學(xué)抗震組合，逐漸強(qiáng)化建筑抵抗地震的強(qiáng)度，造福于人民、造福于社會(huì)。

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