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摘要：介紹了結(jié)構(gòu)被動控制的理論機(jī)理及近年來國內(nèi)外的應(yīng)用與發(fā)展概況，包括被動控制中的隔震、消能減震和調(diào)諧減震三個(gè)部分，提出了結(jié)構(gòu)被動減震控制目前需待解決的問題，并對以后的發(fā)展趨勢做了展望。...

結(jié)構(gòu)被動控制的應(yīng)用與發(fā)展

稅強(qiáng)l，  田云飛2

(1西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031；

2祥浩工程造價(jià)咨詢工程有限責(zé)任公司，廣西南寧530028)

    傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震思路是利用結(jié)構(gòu)自身的抵抗能力，即自身的承載能力和塑性變形能力來抵御地震作用。隨著社會以及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，人們對更為合理和有效的抗震技術(shù)進(jìn)行了探索，結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)隨之孕育產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)是通過在結(jié)構(gòu)上安裝耗能或減震裝置減輕或抑制結(jié)構(gòu)由于動力苘載引起的響應(yīng)。該技術(shù)在土術(shù)工程界由Y-JT.P首次提出，之后得到了迅速發(fā)展，為工程設(shè)計(jì)與建設(shè)開辟了新的途徑。結(jié)構(gòu)控制主要分為被動控制、主動控制，半主動控制、混合控制，以及近年來發(fā)展起來的智能控制。在這幾種減震技術(shù)中，被動控制是目前發(fā)展比較成熟的工程抗震控制技術(shù)，許多國家，如美國、日本，陸續(xù)出臺了與之相應(yīng)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。我國在GB 50011一2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中也納^了隔震和消能減震的內(nèi)容，并制定了《建筑隔震橡膠支座標(biāo)準(zhǔn)》、《夾層橡膠墊隔震技術(shù)規(guī)程》。近十幾年來，我國在結(jié)構(gòu)的隔震、減震與振動控制方面的研究成果較多，并逐步在實(shí)際工程中得到推廣應(yīng)用。

1.被動控制的應(yīng)用與發(fā)展

    被動控制技術(shù)是一種不需要外部能源的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。從控制機(jī)理上說，被動控制有三條基本途徑。

    (1)隔震。即通過在結(jié)構(gòu)特定部位設(shè)置隔震裝置阻止外界對結(jié)構(gòu)的能量輸入，直接達(dá)到減震控制作用；

    (2)消能減震。即通過附加在結(jié)構(gòu)上的耗能阻尼器耗散地震能量，來實(shí)現(xiàn)減震的目的；

    (3)調(diào)諧減震。即通過振動模態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換，將工程結(jié)構(gòu)的主振動轉(zhuǎn)穆到附加系統(tǒng)上。

    被動控制具有構(gòu)造簡單、造價(jià)低，易于維護(hù)且無需外部能源支持等優(yōu)點(diǎn)。目前．許多被動控制技術(shù)均在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用。

    1.1隔震

    結(jié)構(gòu)隔震的本質(zhì)是將結(jié)構(gòu)與可能引起破壞的地面運(yùn)動分離開。通常是在結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)置隔震裝置，利用該裝置來隔震或耗散地震能量，以減少地震能量向上部傳輸，從而減少上部結(jié)構(gòu)振動。

    隔震技術(shù)始于l9世紀(jì)末。20世紀(jì)60年代疊層橡腔支座的誕生使基礎(chǔ)隔震技術(shù)進(jìn)入了實(shí)用化時(shí)代。基礎(chǔ)隔震因發(fā)展歷史較長，因此它是目前應(yīng)用最為廣泛，也是最為成熟的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。隔震結(jié)構(gòu)在歐美、日本等國家得到了極為廣泛的應(yīng)用，并在實(shí)際地震中表現(xiàn)出良好的抗震性能。截至2006年，日本共有l 500多棟大樓和500棟住宅采用了隔震技術(shù)，美國、新西蘭等國家也建造了相當(dāng)數(shù)量的隔震房屋。中國學(xué)者對基礎(chǔ)隔震的研究較早，1980年我國第一幢摩擦滑移隔震房屋建立；周福霖等人從20世紀(jì)80年代起，一直致力于基礎(chǔ)隔震的研究和開發(fā)工作；唐家祥等人成功研制了承壓能力為500 t睿許水平位移為l2 cm的隔震支座，并完成了多方面性能的試驗(yàn)研究；周錫元、李宏男等人對基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同方面的研究．取得了豐碩的成果。

    隔震裝置應(yīng)滿足的基本要求有：

    (1)足夠的豎向承載能力；

    (2)可變的水平剛度；

    (3)較好的阻尼消能能力；

    (4)良好的復(fù)位特性；

    (5)良好的抗疲勞和抗老化性能，較好的耐久性和耐火性能。

    根據(jù)隔震裝置所處的位置，可分為基礎(chǔ)隔震和層間隔震兩大類。其中基礎(chǔ)隔震目前應(yīng)用較多，根據(jù)隔震阻尼部件的不同，基礎(chǔ)隔震有：

    (1)疊層橡腔支座隔震。包括無鉛芯橡膠支座、加鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等；

    (2)滑動支座隔震。在隔震層設(shè)置摩擦支座或砂墊層等形成滑移層，當(dāng)建筑物遭遇地震時(shí)，通過該處不連續(xù)界面的滑移錯(cuò)動．部分切斷地震渡的傳播．限制上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)；

    (3)滾動隔震。用高強(qiáng)合金制成的滾珠或滾軸涂以防銹或滑移層后置于隔震層，地震作用下，通過滾珠及滾軸滾動達(dá)到隔震的目的。

     1.2消能減震

    消能堿震是在結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件中設(shè)置消能部件，當(dāng)結(jié)構(gòu)承受地震作用時(shí)，消能構(gòu)件或消能裝置產(chǎn)生彈塑性滯回變形，吸收并消耗地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，以減少主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。從而避免結(jié)構(gòu)的破壞或倒塌，達(dá)到減震控震的目的。美國是開展消能減震研究較早的國家之一，1972年蝗工的紐約世貿(mào)中心大廈就安裝了約l0 000個(gè)粘彈性阻尼器；西雅圖哥倫比亞太厘、匹茲堡鋼鐵大廈等許多工程都采用了該項(xiàng)技術(shù)。近年來，全日奉采用耗能減震體系實(shí)際工程已超過百余項(xiàng)，其中均采用了不同的耗能減震裝置。在加拿大．Pall型摩擦耗能器已被用于新建和抗震加固工程，在減小結(jié)構(gòu)的震動作用時(shí)，還取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。新西蘭、意大利、法國等國家也都已將該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程：隨著各國在耗能減震體系方面研究的探人，美國、日本、新西蘭等國相繼制定出臺了相應(yīng)的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工規(guī)范或規(guī)程。如美國加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(SEANOC)頒布的有關(guān)耗能減震技術(shù)的規(guī)定，明確指出了耗能減震體系設(shè)計(jì)不能采用等效側(cè)力法．而應(yīng)使用動力時(shí)程分析法；對于安裝有粘(彈)性阻尼器的結(jié)構(gòu)，規(guī)定使用應(yīng)力譜分析法等。近年來，我國的學(xué)者和工程設(shè)計(jì)人員也致力于該技術(shù)的研究與工程應(yīng)用，目前摩擦消能器已被用于l0余座單層，多層工業(yè)廠房和辦公樓中。

    消能減震按消能裝置的不同分為兩大類。

    (1)消能構(gòu)件減震：利用結(jié)構(gòu)的非承重構(gòu)件作為消能裝置；

    (2)阻尼器減震：在結(jié)構(gòu)的某些部位裝設(shè)阻尼器。

    消能構(gòu)件常見的有方框消能支撐、圓框消能支撐、交叉桿消能支撐、斜桿消能支撐、K形消能支撐等。消能支撐框架結(jié)構(gòu)。即在框架柱間增設(shè)消能支撐形成消能支撐框架，是高層建筑和超高層建筑中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減震控制的一種有效途徑。尤其適合于建筑上需要內(nèi)部設(shè)有大空間的高柔結(jié)構(gòu)，此外還有豎縫消能剪力墻、橫縫消能剪力墻、周邊縫消能剪力墻等，強(qiáng)震時(shí)，會發(fā)生非彈性的縫面錯(cuò)動，產(chǎn)生阻尼，達(dá)到消耗地震能量的目的。

    消能減震裝置的種類很多，根據(jù)消能機(jī)制的不同可分為摩擦消能器、鋼彈塑性消能器，鉛擠壓阻尼器，粘彈性阻尼器和牯滯阻尼器等；根據(jù)消能器消能的依賴性可分為速度相關(guān)型(如粘彈性阻尼器和牯滯阻尼器)和位移相關(guān)型(如摩擦阻尼器、鋼彈塑性阻尼器和鉛阻尼器)等。

    1.3調(diào)諧減震

    調(diào)諧減震控制體系由結(jié)構(gòu)和附加在主結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)組成。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)的基本頻率或激勵(lì)頻率。這樣．當(dāng)主結(jié)構(gòu)受激勵(lì)而振動時(shí)，子結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生一個(gè)與結(jié)構(gòu)振動方向相反的慣性力作用在主結(jié)構(gòu)上，使主結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)衰減并受到控制，目前常用的調(diào)諧減震控制裝置有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)和調(diào)諧液體阻尼器(TLD、TFLCD)。

    調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)是將結(jié)構(gòu)振動的部分能量吸收到自己身上，轉(zhuǎn)化成自身的動能和阻尼耗能，從而達(dá)到減小主體結(jié)構(gòu)的振動。調(diào)諧液體阻尼器則是利用容器中的液體晃動而減震的子結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)振動時(shí)帶動阻尼器中的液體晃動．通過結(jié)構(gòu)與阻尼器之間的相互作用實(shí)現(xiàn)減震作用。TMD、TLD、TLCD的減振效果主要取決于主次結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比頻率比和阻尼比，由于后面兩個(gè)參數(shù)在振動過程中是可變的，因此很難使系統(tǒng)在各個(gè)階段都處在最佳減振狀態(tài)，這可以通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)或施加一定作用力的方式加以改進(jìn)。

    在調(diào)諧減震方面，雖然已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究和分析工作，但實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用還不是很多。日本ShimiZN公司在20世紀(jì)90年代初已研究開發(fā)了應(yīng)用于高層建筑的集成式TMD，這種阻尼器在強(qiáng)震作用下具備一定的制動保護(hù)能力，該公司同時(shí)開發(fā)了可用于高塔和高樓的分層式TLD，已用于高106m，的橫濱海運(yùn)塔和直徑382m、高l494m的圓筒形旅館。在TMD的實(shí)際應(yīng)用方面．我國研究者曾在電視塔和加層房屋方面進(jìn)行了分析和方案設(shè)計(jì)，此外還對TMD和基礎(chǔ)隔震的組合應(yīng)用方法進(jìn)行過探討。

2.被動控制技術(shù)的發(fā)展前景

    當(dāng)前，土木工程結(jié)構(gòu)的抗震思路已由過去消極被動的抗震轉(zhuǎn)為積極的抗震，并需要確保在地震作用下結(jié)構(gòu)功能的正常發(fā)揮。結(jié)構(gòu)被動控制技術(shù)在我國起步較晚，投入的試驗(yàn)研究相對較少，實(shí)際工程的運(yùn)用也較少。但隨著越來越多的研究者和工程師的不斷關(guān)注、結(jié)構(gòu)被動控制在我國的研究和工程應(yīng)用上必將會有光明的前景，并帶來具大的經(jīng)濟(jì)效益。在今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)，結(jié)構(gòu)被動控制技術(shù)研究和應(yīng)用面臨和需要解決的主要問題有：

    (1)被動控制技術(shù)規(guī)范化，實(shí)用化。編制相應(yīng)的減震技術(shù)規(guī)范，推廣并正確指導(dǎo)應(yīng)用減震技術(shù)。

    (2)隔震技術(shù)：基礎(chǔ)隔震對在短周期地面運(yùn)動影響下的中短周期結(jié)構(gòu)而言，其減振效果比消能技術(shù)更好，但對地面運(yùn)動輸入特性比較敏感，不能完全消除共振的危險(xiǎn)性．此外．還需要進(jìn)一步研發(fā)耐九性能好的滑動支座以及對長周期的結(jié)構(gòu)隔震的研究等。

    (3)消能減震：研發(fā)低造價(jià)、耐久性好、施工方便的耗能減震裝置；消能減震體系設(shè)計(jì)計(jì)算方法的研究以及軟件的開發(fā)等。

    (4)調(diào)諧減震：調(diào)諧減震方法具有簡單實(shí)用，費(fèi)用比較低的優(yōu)點(diǎn)。今后的研究工作應(yīng)根據(jù)各類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)．進(jìn)一步開發(fā)新型實(shí)用的定型產(chǎn)品，研究配套的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和構(gòu)造措施．不斷擴(kuò)大其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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