地震災害與減震控制

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

0 引言

人類面臨的重大自然災害地震，往往由于它的隨機性和突發(fā)性，導致難以預測其發(fā)生地點及時間， 從而造成災難性的后果。 結(jié)構(gòu)的抗震性能對于結(jié)構(gòu)的安全性以及突發(fā)情況下結(jié)構(gòu)的承載力起著至關重要作用。而結(jié)構(gòu)抗震的設計基礎則是結(jié)構(gòu)的抗震分析理論和結(jié)構(gòu)減震控制方法。

1 結(jié)構(gòu)抗震分析理論

1.1 抗震設防的目標及標準

抗震設防目標的設定是針對于建筑物的結(jié)構(gòu)而言的，即根據(jù)當前社會、科技與經(jīng)濟發(fā)展狀況，當結(jié)構(gòu)遇到不同等級的地震災害發(fā)生時，保護人們的生命安全，降低財產(chǎn)損失，并盡可能地減少對結(jié)構(gòu)的破壞。規(guī)范也有條文做出了規(guī)定，當建筑物所處的地域環(huán)境在抗震設防烈度上達到6度或者更高水平，一定要有抗震層面的相關設計。這個規(guī)定就表明建筑物結(jié)構(gòu)處于正常使用狀態(tài)條件下，當遭遇到不同等級的地震災害發(fā)生時需要具備相應地抵抗地震的能力。一般情況下，如果地震發(fā)生的頻率較高且等級相對較低，就被稱作多遇地震，對于這種情況要保證建筑的主體結(jié)構(gòu)基本不被破壞，從當下科技與經(jīng)濟發(fā)展水平的現(xiàn)狀上看，比較容易實現(xiàn)；如果地震發(fā)生的頻率較低且等級較高，對于這種破壞等級較強的地震，還要求達到建筑的主體結(jié)構(gòu)不被破壞的目標，在科技與經(jīng)濟層面上分析就顯得不合理了；然而如果可以允許結(jié)構(gòu)存在一些破壞但不至于倒塌，這樣既能滿足人們安全性的需求，又能兼顧到經(jīng)濟利益，一舉兩得。所以，我國出臺的《建筑抗震設計規(guī)范》中以上述原則為基礎，與抗震目標、烈度對應起來，從而得到了抗震設防的三個水準和兩個階段[1]。

將三個水準簡單總結(jié)為：小震不壞、中震可修和大震不倒。簡述兩階段設計的內(nèi)容為：

1)將地震、其他荷載作用后的效應進行組合，從而驗算建筑物結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件在遭遇多遇地震烈度下的承載能力，進而確保其能達到第一水準的彈性變形、強度方面的要求。

2)當遭遇到罕遇地震時，通過驗算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，從而確保其能達到第三水準的抗震設防要求。

1.2 抗震設計的基本方法

當?shù)卣馂暮Τ霈F(xiàn)時，相應地會產(chǎn)生地震作用，該作用首先引起的是地面發(fā)生運動，然后才導致建筑物自身的結(jié)構(gòu)也一起運動。這種荷載并不是直接施加在建筑物自身的結(jié)構(gòu)上面，而是伴隨著這個期間所出現(xiàn)的一種慣性力。地面運動不止停留在單一方向上，針對對其分解，不僅能夠在豎直方向得到一個運動分量，還能夠得到轉(zhuǎn)動分量，在水平方向會得到兩個分量，并且這兩者是互相垂直的。地震災害一般是突然性，盡管作用時間較短，但是這中間會伴隨著巨大能量的釋放。因此，當具體到抗震的相應計算過程里，特別是面對建筑物中的結(jié)構(gòu)時，一定要注意在選取相關理論以及計算的有關方法的時候，不僅要追求計算模型簡化，還要考慮到與地震災害發(fā)生時所具備的特點相吻合。因為建筑物所在的場地以及自身結(jié)構(gòu)的類型還有建筑高度等方面的不同，所以需要依據(jù)具體的工程案例來選取計算地震作用的簡化方法或者會更為簡單、準確的方法，可想而知，計算方法愈發(fā)簡單、準確，與之對應的工作量就會增加。就現(xiàn)在來說，在針對建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計角度上，普遍的用來進行計算的方法主要有：底部剪力法、反應譜法和時程分析法[2]。

2 結(jié)構(gòu)抗震與減震控制方法

抗震設計中的主要思路就是如何增強結(jié)構(gòu)抵御地震的能力。結(jié)構(gòu)的抗震設計方法有很多，其廣泛應用的根本原理是增加結(jié)構(gòu)的自身強度、增大結(jié)構(gòu)的變形能力，從而提升對地震作用的抵抗能力。由于增強這兩方面的抗性，地震的能量能較多地從地面?zhèn)鬟f到結(jié)構(gòu)中去。在以往的結(jié)構(gòu)設計中，塑性鉸的應用極大降低了結(jié)構(gòu)整體坍塌的風險，并有效確保了結(jié)構(gòu)的整體性，但仍會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷，造成安全性隱患?，F(xiàn)有消減結(jié)構(gòu)地震反應的方法主要采用隔震法、耗能法、施加外力法、調(diào)整結(jié)構(gòu)動力特性法等確保結(jié)構(gòu)本身的整體性以保證結(jié)構(gòu)的安全。相比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設計，這些方法更為可靠，更為經(jīng)濟，更加有效，適用范圍也更加廣泛。結(jié)構(gòu)抗震與減震是土木工程、結(jié)構(gòu)工程防災減災最有效的方法之一，目前按控制形式劃分可劃分成被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制4種方法。

2.1 被動控制

被動控制的核心是通過減震或隔震裝置去消耗地震產(chǎn)生的能量，同時對振動在結(jié)構(gòu)中的傳播也有一定的抑制。被動控制構(gòu)造簡單，易于維護，經(jīng)濟性高，無需外界能源支持。是目前應用最廣泛的減震方法。被動控制主要包括基礎隔震、耗能減震和調(diào)諧減震。

2.1.1 基礎隔振

通過在建筑物底部設置控制機構(gòu)隔離地震能量的傳輸稱為基礎隔震。通過隔震裝置可以使結(jié)構(gòu)振動減輕，避免上部建筑物遭到地震的破壞。隔震裝置的材料必須具有較大的變形能力，有較大的阻尼提供耗能能力，并且有足夠的初始剛度和強度[3]。

2.1.2 耗能減震

耗能減震技術是把結(jié)構(gòu)物中的某些構(gòu)件設計成耗能部件，或者是在結(jié)構(gòu)物的某些部位增加上阻尼器。耗能桿件和阻尼在日常使用時處于彈性狀態(tài)。但在強烈地震作用時，地震波的能量傳入結(jié)構(gòu)中，耗能桿件和阻尼大量消耗地震產(chǎn)生的能量，進入非彈性狀態(tài)，從而確保主體結(jié)構(gòu)不進入明顯的非彈性狀態(tài)，保護主體結(jié)構(gòu)不被破壞[4，5]。按照耗能裝置的不同，耗能減震體系可分為兩類:耗能構(gòu)件減震體系和阻尼器耗能減震體系[6]。

2.1.3 調(diào)諧減震

調(diào)諧減震技術利用在主體結(jié)構(gòu)中增加能使結(jié)構(gòu)振動發(fā)生偏移的子結(jié)構(gòu)，重新分配原結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)所受到的地震能量，使原結(jié)構(gòu)所受到的振動有所降低，從而達到消能減震的目的。目前常見的調(diào)諧減震裝置可分為調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、調(diào)諧液體阻尼器、調(diào)諧液柱式阻尼器、擺式質(zhì)量阻尼器、質(zhì)量泵、液壓-質(zhì)量控制系統(tǒng)、懸掛結(jié)構(gòu)體系等。

2.2 主動控制

結(jié)構(gòu)主動控制顧名思義是在結(jié)構(gòu)遭受地震荷載時才會觸發(fā)的消能減震控制方法。主要控制系統(tǒng)大多由傳感器、控制器和作動器三個部分組成。主動控制方法在地震來臨時利用外部能源，對結(jié)構(gòu)施加控制力，達到迅速減小結(jié)構(gòu)振動的效果。 其工作原理為:傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)的動力響應和外部激勵，將監(jiān)測的信息傳入計算機內(nèi)，計算機根據(jù)給定的算法計算出控制力的大小，最后由外部能源驅(qū)動作動器產(chǎn)生所需的控制力而施加于結(jié)構(gòu)上。[7]主動控制可以根據(jù)地震波調(diào)節(jié)控制力的大小，因此控制效果基本不依賴于地震波的特性，這方面明顯優(yōu)于被動控制。

2.3 半主動控制

半主動控制同樣需要外部激勵信息給出控制信號，與主動控制不同的是，它需要的外部能量較少。通過對外部振動的監(jiān)測提供給制動器，使制動器進行少量調(diào)節(jié)并利用結(jié)構(gòu)振動的往復相對變形或速度，盡可能實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力，是參數(shù)控制的一種。半主動控制兼具主動控制優(yōu)良的控制效果和被動控制簡單易行的優(yōu)點，同時克服了主動控制需要大量能量供給和被動控制調(diào)諧范圍窄的缺點，因此半主動控制具有較大的研究和應用開發(fā)價值，是當前的研究熱點。

2.4 混合控制

混合控制是將主動控制和被動控制同時施加在同一結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)減震控制形式。根據(jù)所起作用的相對大小來看，可分為主從組合方式和并列組合方式，前者是以某一控制為主控制部件，其他部件通過主要部件對結(jié)構(gòu)進行控制。后者是兩種控制各自獨立工作而對結(jié)構(gòu)進行控制。近年研究較多的是以被動控制為主，主動控制為輔的主從組合方式?；旌峡刂茖⒅鲃涌刂婆c被動控制聯(lián)合應用，可以充分發(fā)揮兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點，克服各自的缺點，只需很小的能量輸入即可得到很好的控制效果。被動控制由于引入主動控制，其控制效果和調(diào)諧范圍有了極大的增強；另一方面，主動控制由于被動控制的參與，所需的控制力大大減小，抗震系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性都比單純的主動控制有所增強。

3 結(jié)語

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)抗震與減震在基礎隔震和耗能減震方面研究較多，基礎理論和應用方法也較為成熟，應用范圍也較為廣泛，很多實際工程中都有應用。從結(jié)構(gòu)抗震與減震控制技術的發(fā)展趨勢來看，混合控制與半主動控制需要的成本低，后期使用花費較少并能起到優(yōu)良的減震隔震作用。今后的研究和發(fā)展領域會朝著高效能低成本的方向發(fā)展。