結構減震設計最優化問題研究

鄭維成 貴州水利水電職業技術學院講師，研究生

地震是不可抗拒的自然災害，會嚴重破壞地形和各種建筑，給人類造成巨大的生命危害和財產損失。地震災害造成的各種建筑物毀壞，使人們清楚地認識到建筑物應具有足夠的抗震能力[1]。

1 建筑結構減震概述

建筑物的抗震減震性能與阻尼有著直接關系，建筑物的阻尼大小對于消耗地震能量有著重要作用。減震措施正是利用這一點，通過增加建筑的阻尼來消耗地震來時的地震能量，從而保護主題結構免受震害或減輕震害。

一般效能構建應設在結構的兩個主軸方向，這樣可使兩個方向的阻尼和剛度都有附加。在高層建筑設計中，要充分利用這一功能，適當調整建筑設施內部的阻尼值，利用建筑設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定性和抗震性，使其能最大限度地抵御地震帶來的災害，建筑減震已成為建筑行業的發展趨勢。

我國發生過幾次重大地震后，越來越重視建筑內部的抗震和減震設計，減少建筑物的結構變形，對主體結構進行全面保護，以防建筑遭到嚴重的損壞。

2 建筑結構設計方式

2.1 建設地基時應用特殊材料

為了減少地震波對建筑的負面影響，必須保證地基的減震、基礎設施的特殊加工和墊層的鋪設。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定。

2.2 基礎減震

減震措施應設在基座或主體結構中，這種減震設計相對來說屬于是比較傳統的，因此在施工過程中會出現嚴重的缺點。該方法主要適用于個別地區的設施，如果將其應用于高層建筑，不僅達不到更高的抗震強度，而且能延長建筑工程的自然地震周期。所以，根據實際情況，技術人員應在建筑中采取減震措施，防止地震來臨時給廣大人民群眾帶來人身危害和財產損失[4]。

2.3 結構懸掛減震

在建筑中應用結構懸掛減震措施，可以降低地震發生時給建筑結構和經濟帶來的損耗。地震發生時，懸掛結構不會受到地震的破壞，建筑物的破壞程度可以降至最低。結構懸掛措施主要應用于大型鋼結構建筑，結構懸掛減震原理是在地震中隨著地殼的運動擺動結構的主體框架，并用鏈條將其連接起來，使之更好地發揮作用[5]。如果地震轉移到相應的部位，地震帶來的震動也可以逐漸轉移。這種隔離措施可以減少地震對建筑設施造成的破壞，但其負荷大，不適用于一般建筑設施。

2.4 控制受損構件

對結構斷裂的分析表明，應控制受損構件，使其達到預期的形式，以控制損傷效應，并且建筑結構應足夠堅固、耐用。在結構的特定位置設置一定數量的人工塑性帶，以控制塑性程度和范圍，也是在發生強烈地震時形成能量損失的最佳機制，在一定程度上保障人民生命財產安全。

2.5 梁的延展性設計

當連續梁的跨高比為5 時，連續梁的強度和能量損失性能極為優秀。連續梁兩端相對于豎向位移的密度系數大于8，如果連續梁跨寬與高之比減小為1，連續梁兩端韌性系數降低至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。其中一個措施是在中心水平面留一個比梁高0.5 倍的高度，通過接縫在水平面上下兩側插入鋼板，在鋼板上形成橢圓形螺栓孔，最后用高強度螺栓將兩塊鋼板連接起來。在下面豎向荷載、風荷載，共同作用于連續梁的兩個部分，為了保持剛性連續梁的總剛度，保證其在彈性階段工作，發生強烈地震時兩塊鋼板相對滑動，跨高為1 的剛性連續梁將在跨高比為2 的兩個小梁中共同工作。該設計方案不僅使韌性系數由3提高到10，而且在一定程度上改善了鋼板間滑動的損耗性能。

2.6 建筑中柱的延展性設計

雖然設計師不希望柱上出現塑料鉸，但仍然需要一定的彈性和能量耗散能力，以確保建筑不會出現倒塌現象，螺旋箍筋可顯著提高柱的強度和軸壓強度，可以實現建筑結構本身的延展性，提高構件結構抗震能力。建筑結構耗能設計只能從建筑結構的配置量和建筑材料的種類來實現，以提高建筑結構的抗震性能。

3 建筑中的減震節能結構

目前在建筑控制和減振設計中，存在一些優化問題，如減振器和阻尼器的參數調整和位置優化，人工塑性鉸的位置、數量和順序的優化；建筑破壞構件的控制理論要求：框架結構在中強地震作用下，梁兩端只出現塑性鉸；在發生大地震時，塑性鉸只出現在柱的底部，從而形成輻射式的橫向運動機制，并且保持節點始終是彈性的。在減震結構中，中等地震作用下，塑性鉸只出現在連接梁的兩端，而塑性鉸一般只出現在墻的根部，通過對結構的優化分析可知，再出現中等震度時，塑性鉸只出現在連續梁的兩端，只有在大型地震發生時，塑性鉸出現在框架柱的根部。

通過調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。環向剛度的缺陷可通過連接梁、框架、柱、墻來控制，通過對建筑結構的優化分析，在彈性階段，設計的抗震剪力墻能提高建筑結構的整體性，減小側向變形，并具有比普通連體剪力墻更強的交叉抗力；在彈塑性階段，剛性連續梁將折減為兩個跨度為0.5 的小梁。

4 建筑結構設計中減震設計措施

4.1 在建筑結構中重視減震設計

隨著科技的發展，越來越多的新建筑理念應用于建筑中。隨著我國信息技術的不斷進步，使人們了解到越來越多的相關信息，也使得人們對建筑的安全性變得高度重視。在建筑物建設過程中，廣大群眾對建筑物抗震性的關注越來越多，要想提高總抗震能力，就要加強各基礎部分，并對相應的建筑物基礎部分進行特殊處理，解決相關質量問題。同時，在建筑物的每個部分安裝相應的阻尼裝置，相應的阻尼可以減輕地震的影響。

4.2 優化建筑加強層設計

加強層是一種在地基上具有足夠剛度的水平結構，加強層一般位于結構中心上方，減少了上部結構的側向位移，從而減小地震災害的內應力，在高層建筑的施工中必須避免在頂層設置加強層。另外，車間的裝甲層也可以使用加強層，滿足柱剛度和強柱弱梁的要求。如果高層建筑對抗震結構要求很高，則可以通過多層加固提高核心的剛度。根據高層建筑的結構特點和抗震標準，選擇切實可行的優化設計方案。

4.3 加強構建減震措施

地震發生時，大部分建筑都會出現嚴重程度不一的結構損壞，最嚴重的就是建筑物內部發生水平位移。所以，必須建立適當的減震層。良好的減震層施工可以保證整個結構沒有質量問題，能夠最大限度地承受內部結構的水平位移[6]。就整體設計而言，減震配置上應設置減震節點，減震縫的總寬度不能太寬，整個結構不僅要采用豎向減震，還應設計水平減震層。通過建造相應減震節點，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產安全。

5 結語

在隔震和能消能減震設計中，應注意以下幾點：一是隔震裝置、消能構件的各項性能參數都要經過專門的試驗確定。二是隔震和消能減震裝置應設置在便于檢查及替換的部位。三是設計人員應注明隔震減震的具體要求，安裝、檢測和施工都應按照相關的規程進行，保證裝置和各項性能都符合要求。隨著建筑技術的發展，隔震和消能減震技術的應用越來越廣泛。相比傳統的抗震技術來講，隔震和消能減震技術的應用對地震的削弱作用非常明顯，對于保證地震時建筑物的安全和人民的生命財產安全具有著重要的意義。我國大部分地區都會遭遇一些地震災害，為確保我國建筑業的發展質量，在建筑結構設計過程中需要嚴格進行減震設計，把建筑物的抗震問題放在重要位置，總結各國抗震經驗，正確進行建筑抗震設計，從而提高我國建筑結構抗震水平。