建筑金屬結(jié)構(gòu)的隔震減振和振動控制分析

萬 駿

（涇縣規(guī)劃建筑設(shè)計研究院，安徽 宣城市 242500）

引言

建筑的安全性和耐久性在相當(dāng)大的程度上取決于減振結(jié)構(gòu)中所具有的隔震減振以及振動控制能力。通常，施工單位和技術(shù)人員會挑選優(yōu)良的建筑材料來對建筑結(jié)構(gòu)的這些功能進(jìn)行提升，以保證樓房能夠在更長的使用期內(nèi)保持其安全性能。

1 消能減振和隔震的原理

在過去，我國的建筑結(jié)構(gòu)在規(guī)劃和建設(shè)時所秉持的原則是“小震震不壞、設(shè)防烈度可修、大震震不倒”，這樣的建筑標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上能夠避免輕微地震對建筑物的傷害，但是一旦碰到大地震卻難以抵抗較長的時間。主要在于這種建筑結(jié)構(gòu)的原理是依靠建筑物結(jié)構(gòu)吸收地震能量，但是能量吸收的設(shè)計額度有限，很難適應(yīng)一些自然條件惡劣的地區(qū)。據(jù)此，有必要對這些原理進(jìn)行探討和分析。

1.1 消能減振原理

消能減震技術(shù)的原理在于，建筑物在面臨劇烈震動時能夠通過一些專門用于抵抗側(cè)力的部件來對地震能量進(jìn)行消耗。主要依靠消能部件的彈性和變形來吸收巨大能量[2]，進(jìn)而減少主建筑所受的損耗。這樣構(gòu)思在于疏導(dǎo)地震瞬間爆發(fā)時的巨大能量，在建筑規(guī)劃和施工中經(jīng)常運用。

這種技術(shù)雖然優(yōu)勢明顯，但是仔細(xì)探究一番便能發(fā)現(xiàn)其弱點。不難想到，消能部件在結(jié)構(gòu)上仍是和建筑主體結(jié)合在一起的，不可能完全分開，在消能部件吸收巨大能量時難免會對建筑主體造成損害。

1.2 隔震原理

通常，建筑結(jié)構(gòu)所具備的防震體系是通過建筑物的隔震層來實現(xiàn)的。在建筑結(jié)構(gòu)中加入隔震層需要建筑物設(shè)計人員合理的區(qū)分建筑結(jié)構(gòu)各部分，按照地震能量的傳導(dǎo)，建筑隔震層設(shè)置在上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間。這種隔震方式的原理在于，下部建筑結(jié)構(gòu)吸收了大部分的地震能量之后，經(jīng)過隔震層的阻隔效果，上部結(jié)構(gòu)能夠盡量做到遇到地震時的彈性狀態(tài)，甚至能夠完好無損。

2 基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用

基礎(chǔ)隔震技術(shù)的方案多種多樣，當(dāng)前我國建筑施工單位常用的隔震技術(shù)和規(guī)劃主要有疊層鋼板橡膠支座、復(fù)位彈簧、摩擦擺體系等，并且均已取得一些實際效果。以摩擦擺體系為例，日本的建筑材料公司就研發(fā)出許多隔震產(chǎn)品。在這種產(chǎn)品的使用中，摩擦滑塊能夠在與滑動面的定向接觸中耗散掉大部分的地震能量[3]，并且在這種裝置的其他部件如滾軸和滾球的運動中，能夠應(yīng)對來自下部結(jié)構(gòu)的巨大阻力來給上部結(jié)構(gòu)提供重力支撐。

疊層鋼板隔層技術(shù)是當(dāng)前運用的比較多的技術(shù)，這種技術(shù)的運用已經(jīng)比較成熟，能夠?qū)Ψ课莸淖哉襁M(jìn)行很好的控制，避免地震過后的自振，然而這種技術(shù)對豎向的振動毫無抵抗力，存在著水平振動共振的危險性。

3 減振消能技術(shù)

由于減振消能技術(shù)本身存在的一些漏洞，目前許多研究企業(yè)和研究機構(gòu)都根據(jù)減振消能技術(shù)中增加建筑結(jié)構(gòu)阻尼的特征來設(shè)計出不同的阻尼器，接下來筆者將對此進(jìn)行分析。

3.1 摩擦阻尼器

摩擦阻尼器，是通過消能材料的摩擦來吸收地震能量，其設(shè)計時考慮經(jīng)過一輪能量吸收后能夠通過自帶的彈性效果回復(fù)其塑形。在實際使用時與建筑主體結(jié)構(gòu)共同發(fā)生作用，兩者并聯(lián)使用，獲得回滯振動的效能。目前開發(fā)出來的有簡單摩擦阻尼器和鋼絲阻尼器，歐美、日本等國家對此產(chǎn)品的開發(fā)均取得了一定的成果。在簡單摩擦阻尼器的開發(fā)當(dāng)中，其加工工藝比較簡單，主要運用于高層和多層建筑，并且自身沒有復(fù)位能力，主要依靠建筑主體來回復(fù)其塑形。

具有代表性的鋼絲阻尼器主要有華東理工大學(xué)開發(fā)的螺旋圈式阻尼器和日本一家公司開發(fā)鋼絲繩張拉阻尼器，這些產(chǎn)品仍然存在不能自主復(fù)位的能力，而且其設(shè)計的抗阻消能值單一，在實際使用中出現(xiàn)問題。

3.2 軟鋼和合金阻尼器

這種阻尼器在彈塑性方面有著較大的優(yōu)勢，能夠在消能后保持其原有塑形。在使用中可以同建筑結(jié)構(gòu)主體串聯(lián)，起到支撐作用。常用的軟鋼阻尼器所用的材料有剪切型鋼板以及彎曲型鋼板。這些軟鋼才來能夠在房屋連接通道之中使用。

軟鋼阻尼器的構(gòu)成部件成三角形狀，具有等強度的懸臂干特性，其回復(fù)塑形的能力較強。就最近的研究情況和實踐運用來看，矩形軟鋼板也能起到這一作用。這些阻尼器雖然價格低廉，但是其使用效果已經(jīng)得到多方肯定。

3.3 鉛阻尼器

鉛阻尼器首次研發(fā)成功在新西蘭，這種技術(shù)在設(shè)計時主要領(lǐng)用了鉛在面臨壓縮時所無彈性無擠壓的特性，在多種建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，能夠發(fā)揮其可靠的彈塑性特征，及時回復(fù)其塑形。其阻尼器設(shè)計原理同摩擦阻尼器類似，但是由于鉛材料的運用，其屈服極限處于可調(diào)整的狀態(tài)。

4 主動控制、半主動控制和混合控制

通常所認(rèn)為的主動控制是指對地震的結(jié)構(gòu)和強度進(jìn)行主動的監(jiān)測，然后根據(jù)結(jié)果運用特殊裝置來抵消地震能量爆發(fā)，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。主動控制可以說是一種相當(dāng)有效和高明的手段，更具有主動性，效果明顯。半主動控制，就是在主動控制的過程中加入一些被動特征，也就是通過微調(diào)來改變建筑結(jié)構(gòu)，較多的運用于建筑工程的防震改良當(dāng)中。

所謂混合控制是將被動控制完全同主動控制融合在一起，比主動控制設(shè)計更加復(fù)雜，采用復(fù)合的控制方案來達(dá)到振動控制的效果。這種設(shè)計方案在日本相當(dāng)盛行，但是也相當(dāng)復(fù)雜，需要對地震進(jìn)行多次的觀測和調(diào)查，并且依據(jù)調(diào)查結(jié)果來分析和實時反饋，最終通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，所花費的成本較高。

5 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)雖然經(jīng)過這么多年的發(fā)展，取得了不少突出的效果，我國仍需要不斷借鑒國外先進(jìn)技術(shù)并引進(jìn)相關(guān)技術(shù)和材料，進(jìn)一步提升我國居民樓房的安全性能，滿足人們需求。

[1] 李愛群.工程結(jié)構(gòu)減振控制[J].機械工業(yè)，2007.

[2] 李江.高層建筑結(jié)構(gòu)振動半主動控制系統(tǒng)研究[D].天津：天津大學(xué)，2003.

[3] 張向東.高架路交通誘發(fā)振動與建筑物減振控制方法研究［D］.北京: 北京工業(yè)大學(xué)，2009．