工程結(jié)構(gòu)減震控制系統(tǒng)發(fā)展歷程

(1.蘇州科技大學(xué) 江蘇 蘇州 215009；2.揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225000)

根據(jù)斷裂理論，地殼由多種巖石組成，在地下巖層的運(yùn)動(dòng)過程中，地下巖石積聚了大量能量，在巨大能量的作用下，形成了地應(yīng)力。當(dāng)?shù)貞?yīng)力極小時(shí)，地下巖層并不會(huì)完全喪失完整性，當(dāng)局部應(yīng)力超過巖石結(jié)構(gòu)的極限承載能力后，地下巖石發(fā)生破壞，在自身彈性應(yīng)力的作用下出現(xiàn)反彈，釋放能量，以彈性波的方式向地表傳播，導(dǎo)致強(qiáng)烈的地震現(xiàn)象[1]。

地震波通過巖土介質(zhì)的傳播、過濾、放大和吸收，并通過建筑場(chǎng)地的振動(dòng)對(duì)建筑物產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的抗震手段主要通過提升結(jié)構(gòu)自身力學(xué)性能的方式抵抗地震作用，屬于被動(dòng)抗震方式。隨著技術(shù)發(fā)展，參照傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在地震作用下無法即時(shí)進(jìn)行自身的調(diào)控，因此，工程結(jié)構(gòu)減震控制體系隨之出現(xiàn)。

一、工程抗震思想的演變

(一)結(jié)構(gòu)抗震思想

早期抗震技術(shù)研究中，工程人員主要通過增大建筑構(gòu)件的截面和增加建筑物配筋率來提高安全性。然而一味提高結(jié)構(gòu)本身的承載力并不合理，因此，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)人員提出了“柔性結(jié)構(gòu)體系”并在相應(yīng)的領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用，通過降低結(jié)構(gòu)的自身剛度從而提高結(jié)構(gòu)的自振周期，使結(jié)構(gòu)自身的自振周期遠(yuǎn)離場(chǎng)地的特征周期，避免結(jié)構(gòu)與場(chǎng)地之間的共振現(xiàn)象發(fā)生。但是“柔性結(jié)構(gòu)體系”在遭遇強(qiáng)烈風(fēng)荷載時(shí)，建筑物的正常功能受損。之后，“延性結(jié)構(gòu)體系”被提出，結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠產(chǎn)生較大的塑性變形，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)耗能能力[2]。

(二)隔震思想

隔震技術(shù)多用于多層建筑結(jié)構(gòu)中，通常于建筑物的基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層。隔震層具有良好的變形能力，抗側(cè)剛度較低，遭受地震波沖擊時(shí)，隔震層的形態(tài)發(fā)生變化，通過變形吸收地震輸入的能量，將地震能量隔絕于上部結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)之間，減小動(dòng)力響應(yīng)[3]。

(三)工程結(jié)構(gòu)減震控制思想

21世紀(jì)，世界經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，抗震設(shè)計(jì)方式逐漸更新，更加有效的新型抗震體系逐漸形成，“工程結(jié)構(gòu)減震控制”體系逐漸被接受。該體系包含了結(jié)構(gòu)的消能減震、隔震、調(diào)諧控制等等多種抗震手段，是土木工程中重要的防災(zāi)減災(zāi)方法。

二、工程結(jié)構(gòu)減震控制系統(tǒng)的基本原理

工程結(jié)構(gòu)減震控制系統(tǒng)包含結(jié)構(gòu)消能減震、結(jié)構(gòu)隔震、結(jié)構(gòu)被動(dòng)質(zhì)量調(diào)諧減震和結(jié)構(gòu)的主動(dòng)及半主動(dòng)控制等多種方式。

(一)結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要憑借自身的彈塑性變形與滯回耗能能力消耗地震輸入的總能量，變形嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致建筑物的倒塌；消能減震結(jié)構(gòu)，在主體結(jié)構(gòu)達(dá)到彈塑性狀態(tài)前,耗能部件首先工作，充分的消耗地震能量，主體結(jié)構(gòu)也將耗散一部分地震能量。由此可知，結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)是將結(jié)構(gòu)的承載能力與耗能能力區(qū)分開來，通過專門設(shè)置的高耗能裝置(例如耗能支撐、節(jié)點(diǎn)處阻尼器等)消耗輸入的地震能量，緩解結(jié)構(gòu)主體的地震響應(yīng)，使地震能量更少的作用于建筑物主體結(jié)構(gòu)上，從而減輕主體結(jié)構(gòu)的破壞。

(二)結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅依靠自身性能抵御地震作用，地震時(shí)，基礎(chǔ)與地基為“硬接觸”狀態(tài)，不利于緩解地震波的傳播；隔震結(jié)構(gòu)，于基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間布置隔震層，隔絕地震能量，降低地震響應(yīng)，將“硬接觸”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤败浗佑|”狀態(tài)，減小地震振動(dòng)幅度，達(dá)到減震效果。結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)是一種被動(dòng)控制技術(shù)，其結(jié)構(gòu)特定部位設(shè)置的隔震裝置將隨結(jié)構(gòu)一起發(fā)生振動(dòng)變形，改變了結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼等；或改變了外荷載的傳遞途徑，達(dá)到了抑制結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的目的，使上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)控制在抗震設(shè)防要求范圍內(nèi)。

(三)結(jié)構(gòu)被動(dòng)質(zhì)量調(diào)諧控制技術(shù)

該技術(shù)主要通過在主體結(jié)構(gòu)中設(shè)置子結(jié)構(gòu)的方式，在遭受強(qiáng)烈地震作用時(shí)，主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)轉(zhuǎn)移至附加子結(jié)構(gòu)，降低了地震對(duì)主體結(jié)構(gòu)的破壞。

(四)結(jié)構(gòu)主動(dòng)與半主動(dòng)控制方式

結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制系統(tǒng)通常包含傳感器、控制器和作動(dòng)器三部分，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到激勵(lì)振動(dòng)作用時(shí)，主動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器依據(jù)傳感器傳來的外部信息，依據(jù)現(xiàn)代先進(jìn)的控制理論，通過作動(dòng)器產(chǎn)生控制力作用于輔助子結(jié)構(gòu)，而后傳導(dǎo)至主體結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到主動(dòng)控制效果，作動(dòng)器所需能量需從外部輸入。半主動(dòng)控制系統(tǒng)，屬于參數(shù)控制系統(tǒng)，依賴傳感器傳來的外部激勵(lì)及結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息，通過改變結(jié)構(gòu)的阻尼或剛度的方式減小主體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，所需外部能量較少。

(五)混合控制及智能控制等方式

混合控制是采用主動(dòng)控制系統(tǒng)和半主動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制方式，具有兩者優(yōu)點(diǎn)，控制效果良好。智能控制具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，是最新發(fā)展出來的控制方式，依靠模糊控制或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)算法。

三、消能減震和隔震設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀

消能減震技術(shù)和隔震技術(shù)是工程結(jié)構(gòu)減震控制體系中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)手段，本文將著重介紹消能減震設(shè)備和隔震設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀。

(一)消能減震設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀

消能減震技術(shù)適用于高層建筑、大跨度橋梁等結(jié)構(gòu)，通常由消能器(又稱阻尼器)、連接裝置及其他構(gòu)件組成，其核心部件為阻尼器。目前，消能減震設(shè)備的應(yīng)用較多，分類依據(jù)較多。通常阻尼器可劃分成速度相關(guān)型阻尼器如粘滯阻尼墻、粘彈性阻尼器等，位移相關(guān)型阻尼器如金屬屈服型阻尼器、摩擦阻尼器等；若按照阻尼器材料劃分，可分成粘滯阻尼器、智能材料阻尼器、粘彈性阻尼器和金屬阻尼器等；按照受力，可分成彎曲型、擠壓型、彎剪型及扭轉(zhuǎn)型阻尼器；按照構(gòu)件形式，可分成消能節(jié)點(diǎn)、消能支撐、消能剪力墻等；按照消能形式，可分成鋼件非彈性變形消能、摩擦消能、材料塑性變形消能等。

(二)隔震設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀

隔震的本質(zhì)是在上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一層隔震層[4]，主要隔震手段為阻止振動(dòng)的輸出和阻止振動(dòng)的輸入。建筑隔震通常采用以下兩種分類：按照技術(shù)類型，可分成摩擦滑移隔震技術(shù)、層疊橡膠支座隔震技術(shù)、滾動(dòng)隔震技術(shù)、復(fù)合隔震技術(shù)、蝶形彈簧隔震技術(shù)；按照隔震層位置可分成層間隔震、基礎(chǔ)隔震、和局部隔震等[5]。

四、結(jié)語

工程結(jié)構(gòu)減震控制體系的應(yīng)用前景非常廣闊，中國作為地震多發(fā)國家，對(duì)于結(jié)構(gòu)的減震控制技術(shù)需求正逐漸增高，如何研發(fā)出效率更高，設(shè)計(jì)出更合理的結(jié)構(gòu)減震技術(shù)成為了當(dāng)前的研究重點(diǎn)。