工程结构减震控制系统发展历程

2020-02-25

福建质量管理 2020年11期

(1.苏州科技大学江苏苏州 215009；2.扬州大学江苏扬州 225000)

根据断裂理论，地壳由多种岩石组成，在地下岩层的运动过程中，地下岩石积聚了大量能量，在巨大能量的作用下，形成了地应力。当地应力极小时，地下岩层并不会完全丧失完整性，当局部应力超过岩石结构的极限承载能力后，地下岩石发生破坏，在自身弹性应力的作用下出现反弹，释放能量，以弹性波的方式向地表传播，导致强烈的地震现象[1]。

地震波通过岩土介质的传播、过滤、放大和吸收，并通过建筑场地的振动对建筑物产生影响。传统建筑结构的抗震手段主要通过提升结构自身力学性能的方式抵抗地震作用，属于被动抗震方式。随着技术发展，参照传统方法设计的结构在地震作用下无法即时进行自身的调控，因此，工程结构减震控制体系随之出现。

一、工程抗震思想的演变

(一)结构抗震思想

早期抗震技术研究中，工程人员主要通过增大建筑构件的截面和增加建筑物配筋率来提高安全性。然而一味提高结构本身的承载力并不合理，因此，结构抗震设计人员提出了“柔性结构体系”并在相应的领域进行了应用，通过降低结构的自身刚度从而提高结构的自振周期，使结构自身的自振周期远离场地的特征周期，避免结构与场地之间的共振现象发生。但是“柔性结构体系”在遭遇强烈风荷载时，建筑物的正常功能受损。之后，“延性结构体系”被提出，结构在地震作用下能够产生较大的塑性变形，进而提高结构耗能能力[2]。

(二)隔震思想

隔震技术多用于多层建筑结构中，通常于建筑物的基础与上部结构之间设置隔震层。隔震层具有良好的变形能力，抗侧刚度较低，遭受地震波冲击时，隔震层的形态发生变化，通过变形吸收地震输入的能量，将地震能量隔绝于上部结构与下部基础之间，减小动力响应[3]。

(三)工程结构减震控制思想

21世纪，世界经济不断发展，抗震设计方式逐渐更新，更加有效的新型抗震体系逐渐形成，“工程结构减震控制”体系逐渐被接受。该体系包含了结构的消能减震、隔震、调谐控制等等多种抗震手段，是土木工程中重要的防灾减灾方法。

二、工程结构减震控制系统的基本原理

工程结构减震控制系统包含结构消能减震、结构隔震、结构被动质量调谐减震和结构的主动及半主动控制等多种方式。

(一)结构消能减震技术

传统结构，主要凭借自身的弹塑性变形与滞回耗能能力消耗地震输入的总能量，变形严重时将导致建筑物的倒塌；消能减震结构，在主体结构达到弹塑性状态前,耗能部件首先工作，充分的消耗地震能量，主体结构也将耗散一部分地震能量。由此可知，结构消能减震技术是将结构的承载能力与耗能能力区分开来，通过专门设置的高耗能装置(例如耗能支撑、节点处阻尼器等)消耗输入的地震能量，缓解结构主体的地震响应，使地震能量更少的作用于建筑物主体结构上，从而减轻主体结构的破坏。

(二)结构隔震技术

传统结构仅依靠自身性能抵御地震作用，地震时，基础与地基为“硬接触”状态，不利于缓解地震波的传播；隔震结构，于基础和上部结构之间布置隔震层，隔绝地震能量，降低地震响应，将“硬接触”状态转变为“软接触”状态，减小地震振动幅度，达到减震效果。结构隔震技术是一种被动控制技术，其结构特定部位设置的隔震装置将随结构一起发生振动变形，改变了结构的刚度、阻尼等；或改变了外荷载的传递途径，达到了抑制结构动力反应的目的，使上部结构的地震反应控制在抗震设防要求范围内。

(三)结构被动质量调谐控制技术

该技术主要通过在主体结构中设置子结构的方式，在遭受强烈地震作用时，主体结构的振动转移至附加子结构，降低了地震对主体结构的破坏。

(四)结构主动与半主动控制方式

结构主动控制系统通常包含传感器、控制器和作动器三部分，当结构受到激励振动作用时，主动控制系统的控制器依据传感器传来的外部信息，依据现代先进的控制理论，通过作动器产生控制力作用于辅助子结构，而后传导至主体结构，从而达到主动控制效果，作动器所需能量需从外部输入。半主动控制系统，属于参数控制系统，依赖传感器传来的外部激励及结构响应信息，通过改变结构的阻尼或刚度的方式减小主体结构的响应，所需外部能量较少。

(五)混合控制及智能控制等方式

混合控制是采用主动控制系统和半主动控制系统相结合的控制方式，具有两者优点，控制效果良好。智能控制具有很强的学习能力，是最新发展出来的控制方式，依靠模糊控制或神经网络控制等先进算法。

三、消能减震和隔震设备的应用现状

消能减震技术和隔震技术是工程结构减震控制体系中应用最为广泛的技术手段，本文将着重介绍消能减震设备和隔震设备的应用现状。

(一)消能减震设备的应用现状

消能减震技术适用于高层建筑、大跨度桥梁等结构，通常由消能器(又称阻尼器)、连接装置及其他构件组成，其核心部件为阻尼器。目前，消能减震设备的应用较多，分类依据较多。通常阻尼器可划分成速度相关型阻尼器如粘滞阻尼墙、粘弹性阻尼器等，位移相关型阻尼器如金属屈服型阻尼器、摩擦阻尼器等；若按照阻尼器材料划分，可分成粘滞阻尼器、智能材料阻尼器、粘弹性阻尼器和金属阻尼器等；按照受力，可分成弯曲型、挤压型、弯剪型及扭转型阻尼器；按照构件形式，可分成消能节点、消能支撑、消能剪力墙等；按照消能形式，可分成钢件非弹性变形消能、摩擦消能、材料塑性变形消能等。

(二)隔震设备的应用现状

隔震的本质是在上部结构与下部结构之间设置一层隔震层[4]，主要隔震手段为阻止振动的输出和阻止振动的输入。建筑隔震通常采用以下两种分类：按照技术类型，可分成摩擦滑移隔震技术、层叠橡胶支座隔震技术、滚动隔震技术、复合隔震技术、蝶形弹簧隔震技术；按照隔震层位置可分成层间隔震、基础隔震、和局部隔震等[5]。