淺析大跨空間結(jié)構(gòu)抗震方法

【摘要】：隨著大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展，傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法已不能滿足需要，從而使結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論在工程結(jié)構(gòu)中開始得到應(yīng)用。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制可以有效地減輕結(jié)構(gòu)在地震等動(dòng)力作用下的反應(yīng)和損傷，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力和抗災(zāi)性能。結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)及智能結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，為振動(dòng)控制問(wèn)題的解決提供了新的手段，使得大跨空間結(jié)構(gòu)能夠更好地發(fā)揮它的優(yōu)點(diǎn)，使其更能滿足人們的需求。

【關(guān)鍵詞】：大跨空間結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制；被動(dòng)控制；摩擦擺支座

隨著人類物質(zhì)文明與精神文明的發(fā)展與提高，人們需要更大的覆蓋空間來(lái)滿足社會(huì)活動(dòng)和生產(chǎn)的需要，如大型集會(huì)場(chǎng)所、體育館、飛機(jī)庫(kù)、會(huì)展中心、游泳池、工業(yè)廠房等。人們通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，空間結(jié)構(gòu)具有三維空間形狀并且有三維受力特性、呈空間工作狀態(tài)，正好能滿足大跨建筑結(jié)構(gòu)的要求，空間結(jié)構(gòu)不僅僅依賴材料性能，而且更加充分利用自己合理的形體及不同材料特性，來(lái)適應(yīng)不同建筑建筑造型和功能要求。

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)是以“抗”為主要途徑，通過(guò)增加材料用量、加大結(jié)構(gòu)斷面、提高建筑物自重，以保證結(jié)構(gòu)本身具有足夠的強(qiáng)度、剛度和延性，是一種“硬碰硬”式的抗震方法，使所設(shè)計(jì)的建筑物做到“小震不壞，中震可修，大震不倒”，從而達(dá)到減輕地震災(zāi)害的目的。這樣不僅使工程造價(jià)大大提高，而且還存在著許多問(wèn)題和缺點(diǎn)，發(fā)生突發(fā)性超烈度地震時(shí)，房屋可能會(huì)嚴(yán)重破壞，安全性難以得到保證，而且失去了輕質(zhì)高強(qiáng)材料自身的優(yōu)勢(shì)，還不能滿足口益現(xiàn)代化的機(jī)器設(shè)備不能因?yàn)閯×艺駝?dòng)而中斷工作或者破壞的要求。

因此，研究更加安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的結(jié)構(gòu)新體系，提高工程結(jié)構(gòu)的抗震防災(zāi)能力，是目前工程結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的一門主要課題，對(duì)有效地減輕地震災(zāi)害有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制從控制對(duì)外部能量需求的角度，結(jié)構(gòu)控制可分為：被動(dòng)結(jié)構(gòu)控制、主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制、半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制、混合結(jié)構(gòu)控制。除被動(dòng)控制外，其他三種控制方式中的控制力全部或部分地根據(jù)反饋信息按照某種事先設(shè)計(jì)的控制律實(shí)時(shí)產(chǎn)生。

1、被動(dòng)控制

目前被動(dòng)控制主要有：基底隔震技術(shù)、耗能減震技術(shù)、調(diào)諧減震技術(shù)。

①基底隔震技術(shù)：

基底隔震就是隔離地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，基本思想是，將整個(gè)結(jié)構(gòu)物或其局部坐落在隔震支座上，或者坐落在起隔震作用的地基或基礎(chǔ)上，通過(guò)隔震層裝置的有效工作，限制和減少地震波向上部結(jié)構(gòu)的輸入，并控制上部結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)和隔震部位的變形，從而減少結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性。隔震系統(tǒng)通過(guò)減少結(jié)構(gòu)剛度使得結(jié)構(gòu)自振周期增大，從而避開地震動(dòng)卓越周期，避免了共振和接近共振現(xiàn)象的發(fā)生，較大程度地減少了上部結(jié)構(gòu)的地震作用，從而達(dá)到了隔震的目的。

基礎(chǔ)隔震是一種能夠有效降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的技術(shù)手段。根據(jù)隔震層隔震裝置的不同，基礎(chǔ)隔震可分為橡膠墊基礎(chǔ)、滑移基礎(chǔ)隔震和混合基礎(chǔ)隔震等多類。各類基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的性態(tài)有所不同，但其隔震原理基本相同，都是通過(guò)隔震層削弱而不是強(qiáng)化上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的聯(lián)系，改變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性，避免共振或者接近共振現(xiàn)象的發(fā)生，達(dá)到減少地震作用力和限制隔震層位移的目的。

在基底隔震中支座隔震是最有效的途徑之一。橡膠支座和摩擦擺支座是大跨空間結(jié)構(gòu)常用的兩種隔震裝置摩擦擺系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的摩擦滑移隔震裝置之一。摩擦擺支座由球面的不銹鋼滑道和表面涂有聚四氟乙烯的滑塊組成，其幾何構(gòu)造保證滑塊在滑道上滑動(dòng)后能夠自動(dòng)復(fù)位。摩擦擺支座除具有一般平面滑動(dòng)隔震系統(tǒng)的特點(diǎn)外，還具有良好地穩(wěn)定性、復(fù)位功能和抗平扭能力。

②耗能減震

耗能減震技術(shù)是把結(jié)構(gòu)的某些非承重構(gòu)件（如支撐、剪力墻、連接構(gòu)件等）設(shè)計(jì)成耗能桿件，或在某些部位（層間、空間、節(jié)點(diǎn)、連接縫等）安裝消能裝置，這些附加構(gòu)件、裝置、機(jī)構(gòu)具有極大的效能吸震能力，在強(qiáng)震中能率先消耗、吸收結(jié)構(gòu)的地震能量，迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件免遭破壞，確保結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中的安全。而且這些附加的構(gòu)件、裝置、機(jī)構(gòu)是非承重構(gòu)件，其功能僅是在結(jié)構(gòu)變形過(guò)程中發(fā)揮效能吸震作用，而不承擔(dān)結(jié)構(gòu)的荷載作用，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性不構(gòu)成任何影響或威脅。

耗能裝置的種類有阻尼器、耗能支撐、耗能墻等。阻尼器的種類有金屬阻尼器、摩擦阻尼器、粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器、復(fù)合型阻尼器；耗能支撐的主要形式有偏心耗能支撐、摩擦耗能支撐、圓環(huán)耗能支撐；耗能墻的主要形式有帶堅(jiān)縫耗能墻、水平頂縫耗能墻和阻尼器耗能墻等。

③吸能減震技術(shù)

吸能減震技術(shù)是通過(guò)附加的子結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)移，即使原結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量在原結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)之間重新分配，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。附加的子結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量、剛度和阻尼，因而可以調(diào)整子結(jié)構(gòu)的自振頻率，使其盡量接近主結(jié)構(gòu)的基本頻率或激振頻率。這樣當(dāng)主結(jié)構(gòu)受激勵(lì)而振動(dòng)時(shí)，子結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與主結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向相反的慣性力作用在主結(jié)構(gòu)上，使主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)衰減并受到控制。

結(jié)構(gòu)被動(dòng)吸能減震控制的裝置主要包括：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Turned Mass Damper，TMD）、調(diào)諧液體阻尼器（Turned Liquid Damper，TLD）、擺式質(zhì)量阻尼器、質(zhì)量泵、液體—質(zhì)量振動(dòng)控制系統(tǒng)（HMS）和空氣阻尼器等幾種，其中TMD和TLD應(yīng)用較多。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器是一種有效的被動(dòng)控制裝置。目前，世界范圍內(nèi)已有許多結(jié)構(gòu)安裝了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器進(jìn)行減震控制。它與傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)相比，能夠充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)材料本身的性能，有效地減輕震害，并且確保了居住的舒適度。

2、主動(dòng)控制

結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制是利用外部能源，在結(jié)構(gòu)物受到外部激勵(lì)而發(fā)生振動(dòng)的過(guò)程中，瞬時(shí)施加控制力或瞬時(shí)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，以迅速衰竭和控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)的一種減振技術(shù)。

主動(dòng)控制中，主動(dòng)質(zhì)量阻尼器（AMD）是一種有效的結(jié)構(gòu)減振控制裝置。與被動(dòng)控制相比，AMD等主動(dòng)控制方式有以下優(yōu)點(diǎn)：提高控制的有效性；適應(yīng)于多用途減振，如風(fēng)震或地震；可以選擇控制目標(biāo)，如控制結(jié)構(gòu)某個(gè)關(guān)鍵陣型的響應(yīng)（位移、速度或加速度響應(yīng)），或結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移、結(jié)構(gòu)基底彎矩以及基底剪力等。

前景展望

結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)及智能結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，為振動(dòng)控制問(wèn)題的解決提供了新的手段，并大大地?cái)U(kuò)展了它的應(yīng)用范圍，同時(shí)也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，需要對(duì)振動(dòng)控制的機(jī)理作進(jìn)一步的探討，促使新的振動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用。

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