建筑結構減隔震及結構控制技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

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建筑結構減隔震及結構控制技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

一、傳統(tǒng)的抗震方法
　　地震是由于地面的運動，使地面上原來處于靜止的建筑物受到動力作用而產(chǎn)生強迫振動，因而在結構中產(chǎn)生內(nèi)力、變形和位移。經(jīng)過簡化后模型的動力學分析，即一次次的震害分析進行修正、補充，得到一些建筑物在地震作用下的反應機理及破壞形式，提出了一些建筑物抗爭的計算方法及設計的基本原則。這些在實際應用中得到了很不錯的效果。
　　1、概念設計的一些原則
　　1）總體屈服機制。例如強柱弱梁。
　　2）剛度與延性均衡。砌體結構中為提高延性設構造柱與圈梁，形成一個較弱的框架。
　　3）強度均勻。結構在平面和立面上的承載力均勻。
　　4）多道抗震防線。
　　5）強節(jié)點設計。
　　6）避開場地卓越周期區(qū)。
　　2、在此基礎上作結構地震反應分析，其分析方法主要有：①地震荷載法；②振型分解法；③動力時程分析法?，F(xiàn)在還發(fā)展了push-over法、能力譜等方法?？拐鹪O防目標也從單一的、基于生命安全的性態(tài)標準發(fā)展到基于各種性態(tài)，強調(diào)“個性”設計的設計理念。
　　3、傳統(tǒng)抗震方法的缺點與不足傳統(tǒng)抗震結構主要利用主體結構構件屈服后的塑性變形能和滯回耗能來耗散地震能量，這使得這些區(qū)域的耗能性能變得特別重要，而一旦由于某些因素導致這些區(qū)域產(chǎn)生問題，將嚴重影響到結構的抗震性能，產(chǎn)生嚴重破壞，由于破壞部位位于主要結構構件，其修復是很難進行的。
　　由于傳統(tǒng)抗震結構是以防止結構倒塌為目標，其抗震性能在很大程度上依賴于結構（構件）的延性，以往的許多研究也注重于提高結構（構件）的延性方面，卻忽略了對結構損傷程度的控制。
　　4、傳統(tǒng)的抗震方法在提高結構性能方面有較多困難。
　　傳統(tǒng)抗震結構的耗能能力主要依賴于主體結構的延性。既要求主體結構強度高，又要求延性好，很難實現(xiàn)。
　　1）框架結構許多研究者推薦強柱弱梁體系作為最合適的抗震框架體系。該體系可將地震輸入能量分散在結構的許多部位耗散掉，甚至可以控制塑性鉸出現(xiàn)的順序與部位，延性對于使建筑物在罕遇地震中保存下來固然很重要，但這些預期的塑性鉸區(qū)在中等程度的地震中也會產(chǎn)生，延性也同時應被看作是一種“破壞”。后期修復費用也很高。
　　2）剪力墻結構剪力墻結構體系具有抗側剛度大，在水平地震作用下的側移小，其總的水平地震作用也大等特點，常見的震害一般來說為墻面的斜向裂縫或是底部樓層的水平施工縫發(fā)生水平錯動，當?shù)撞壳?，剪力墻的抗側作用就很小，且剪力墻的耗能也基本集中與底部塑性鉸區(qū)域，上部墻體對抵御強震無顯著作用。而且剪力墻要承擔一定的豎向荷載，因此底部的破壞也十分難修復。
　　3）框架-剪力墻結構從抗震概念設計來說，框架-剪力墻結構具有了多道抗震防線。有框架和墻體組成的抗震結構中，框架的剛度小，承擔的地震作用力小，而彈性極限變形值和延性卻較小。整個結構在地震作用下，墻體很快超過自身的較小彈性極限變形，出現(xiàn)裂縫，水平承載力下降，此時框架尚未充分發(fā)揮自身的水平抗力；墻體開裂后，框架承擔的地震力增大，同時由于結構剛度的變化，地震作用效應也發(fā)生了變化。但無論是剪力墻還是框架，都是主體結構的一部分，損傷壞后的修復工作都是比較困難的，而且花費也不小。
　　二、減振、隔震和振動控制的現(xiàn)狀鑒于上述傳統(tǒng)抗震方法的缺點與不足，并在全部了解地震引起結構震動的全過程。
　　由震源產(chǎn)生地震動，通過傳播途徑傳遞到結構上，從而引起結構的震動反應。通過在不同階段采取震動方法控制措施，就成為不同的積極抗震方法。大致包括以下四點：
　　①震源→消震消震是通過減弱震源震動強度達到減小結構震動的方法，由于地震源難以確定，且其規(guī)模宏大，目前還沒有有效可行的措施將震源強度減弱到預定的水平。
　　②傳播途徑→隔震隔震是通過某種裝置將地震與結構隔開，其作用是減弱和改變地震動時結構作用的強度和方式，以此達到減少結構震動的目的。隔震方法主要有基底隔震和懸掛隔震兩種。
　　③結構→被動減震被動減震是通過采取一定的措施或附加子結構吸收和消耗地震傳遞給主結構的能量，達到減小結構震動的目的。被動減震方法有耗能減震，沖擊減震和吸震減震。
　?、芊磻鲃訙p震主動減震是根據(jù)結構的地震反應，通過地震系統(tǒng)地執(zhí)行機，主動給結構施加控制力，達到減小結構震動的目的。
　　結構隔震、減震方法的研究和應用開始于60年代，70年代以來發(fā)展速度很快。這種積極的結構抗震方法與傳統(tǒng)的消極抗震方法相比，有以下優(yōu)點：
　?、倌艽蟠鬁p小結構所收得的地震作用，從而可減低結構造價，提高結構抗爭的可靠度。此外，隔震方法能夠較準確地控制傳到結構上的最大地震力，從而克服了設計結構構件時難以準確確定載荷的困難。
　?、谀艽蟠鬁p小結構在地震作用下的變形，保證非結構構件不受地震破壞，從而減少震后維修費用，對于典型的現(xiàn)代化建筑，非結構構件（如玻璃幕墻，飾面，公用設施等）的造價甚至占整個房屋總造價的80%以上。
　　③隔震、減震裝置即使震后產(chǎn)生較大的永久變形或損壞，其復位、更換、維修結構構件方便、經(jīng)濟。
　?、苡糜诟呒夹g精密加工設備、核工業(yè)設備等的結構物，只能用隔震、減震的方法滿足嚴格的抗震要求。
　?。ㄒ唬?、隔震
　　1、基地隔震
　　1）夾層橡膠墊隔震裝置用于隔震裝置的橡膠墊塊，可用天然橡膠，也可用人工合成橡膠（氯丁膠）。為提高墊塊的垂直承載力和豎向剛度，橡膠墊塊一般由橡膠片與薄銅板疊合而成。
　　2）鉛芯橡膠支座這樣就使支座具有足夠的初始剛度，在風荷來和制動力等常見載荷作用下保持具有足夠的剛度，以滿足正常使用要求，但強地震發(fā)生時，裝置柔性滑動，體系進入消能狀態(tài)。
　　3）滾珠（或滾軸）隔震有自復位能力的；有加銅拉桿風穩(wěn)定裝置；橫向油壓千斤頂位的。另外，還有加消能裝置的，消能裝置有軟消能桿剪，鉛擠壓消能器，油阻尼器，光阻尼器等。
　　4）懸掛基礎隔震
　　5）搖擺支座隔震同原理還有踏步式隔震制作，用于細高的結構物，如煙囟、橋墩、柜體筒體建筑物等。
　　6）滑動支座隔震上部結構與基礎之間設置相互滑動的滑板。風載、制動力或小震時，靜摩擦力使結構固結于基礎上；大震時；
　　結構水平滑動，減小地震作用，并以其摩擦阻尼消耗地震能源。
　　為控制滑板間的摩擦力，使之滿足隔震要求；在滑板間可以加設滑層。目前常用的滑層有：涂層滑層（聚氯乙烯）、粉?；瑢樱ㄣU粒、沙粒、滑石、石墨等）。
　　2、懸掛隔震懸掛隔震使將結構的全部或大部分質(zhì)量懸掛起來，是地震動傳遞不到主體質(zhì)量上，產(chǎn)生較小的慣性力，從而起到隔震作用。懸掛結構在橋梁、火電廠鍋爐架等方面有大量應用。著名的43層香港匯豐銀行新大樓采用的就是懸掛結構。
　　懸掛結構懸桿受力較大，須采用高強鋼，而高強鋼忍性差，在豎向地震作用時易拉斷。為減小豎向地震作用，可在吊點設減震彈簧，并配合使用阻尼器。
　　3、隔震應用的注意事項：
　　1）隔震實際上會使原有結構的固有周期演唱，在下列情況下不宜采用隔震設計：
　?、倩A土層不穩(wěn)定；
　　②下部結構變性大，原有結構的固有周期比較長；
　?、畚挥谲浫鯃龅兀娱L周期可能引起共振；
　?、苤谱髦谐霈F(xiàn)負反力；
　　2）隔震裝置必須具有足夠的初始剛度，這樣能滿足正常使用要求。當強震發(fā)生時，裝置柔性消震，體系進入消能狀態(tài)。
　　3）隔震裝置能使結構在基礎面上柔性滑動，在地震來時這樣必然會產(chǎn)生很大的位移。為減低結構的位移反應，隔震裝置應提供較大的阻尼，具有較大的消能能力。
　　4、隔震體系的優(yōu)點：
　　1）明顯有效地減輕結構的地震反應。從振動臺地震模擬試驗結果及美國，日本建造的隔整結構在地震中的強震記錄得知，隔振體系的結構加速度反應只相當于傳統(tǒng)結構（基礎固定）加速度反應的1/3——1/10.這種減震效果是一般傳統(tǒng)抗震結構所望塵莫及的。從而能非常有效地保護結構物或內(nèi)部設備在強地震沖擊下免遭任何毀壞。
　　2）確保安全。在地面劇烈震動時，上部結構仍能處于正常的彈性工作狀態(tài)。這既適用于一般民用建筑結構，確保居民在強地震中的絕對安全，也適用于某些重要結構物和重要設備。
　　3）減低房屋造價。從汕頭，廣州，西昌等地建造隔震房屋得知，多層隔震房屋比傳統(tǒng)多層隔震房屋節(jié)省房屋土建造價：7度區(qū)節(jié)省3——6%，8度區(qū)節(jié)省8——14%，9度區(qū)節(jié)省15——20%.并且安全度大大提高。
　　4）抗震措施簡單明了?？拐鹕婕暗膶ο髲目紤]整個結構物的復雜的不明確的抗震措施轉變?yōu)橹豢紤]隔震裝置，簡單明了。結構物本身與一般非地震區(qū)的做法無疑，設計施工大大簡化。
　　5）震后修復方便：地震后，只對隔震裝置進行必要的檢查更換。而無需考慮建筑結構物本身的修復，地震后可很快恢復正產(chǎn)生活或生產(chǎn)，這帶來極明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。