工程結構減震控制系統(tǒng)發(fā)展歷程

(1.蘇州科技大學 江蘇 蘇州 215009；2.揚州大學 江蘇 揚州 225000)

根據(jù)斷裂理論，地殼由多種巖石組成，在地下巖層的運動過程中，地下巖石積聚了大量能量，在巨大能量的作用下，形成了地應力。當?shù)貞O小時，地下巖層并不會完全喪失完整性，當局部應力超過巖石結構的極限承載能力后，地下巖石發(fā)生破壞，在自身彈性應力的作用下出現(xiàn)反彈，釋放能量，以彈性波的方式向地表傳播，導致強烈的地震現(xiàn)象[1]。

地震波通過巖土介質(zhì)的傳播、過濾、放大和吸收，并通過建筑場地的振動對建筑物產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)建筑結構的抗震手段主要通過提升結構自身力學性能的方式抵抗地震作用，屬于被動抗震方式。隨著技術發(fā)展，參照傳統(tǒng)方法設計的結構在地震作用下無法即時進行自身的調(diào)控，因此，工程結構減震控制體系隨之出現(xiàn)。

一、工程抗震思想的演變

(一)結構抗震思想

早期抗震技術研究中，工程人員主要通過增大建筑構件的截面和增加建筑物配筋率來提高安全性。然而一味提高結構本身的承載力并不合理，因此，結構抗震設計人員提出了“柔性結構體系”并在相應的領域進行了應用，通過降低結構的自身剛度從而提高結構的自振周期，使結構自身的自振周期遠離場地的特征周期，避免結構與場地之間的共振現(xiàn)象發(fā)生。但是“柔性結構體系”在遭遇強烈風荷載時，建筑物的正常功能受損。之后，“延性結構體系”被提出，結構在地震作用下能夠產(chǎn)生較大的塑性變形，進而提高結構耗能能力[2]。

(二)隔震思想

隔震技術多用于多層建筑結構中，通常于建筑物的基礎與上部結構之間設置隔震層。隔震層具有良好的變形能力，抗側剛度較低，遭受地震波沖擊時，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構與下部基礎之間，減小動力響應[3]。

(三)工程結構減震控制思想

21世紀，世界經(jīng)濟不斷發(fā)展，抗震設計方式逐漸更新，更加有效的新型抗震體系逐漸形成，“工程結構減震控制”體系逐漸被接受。該體系包含了結構的消能減震、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減災方法。

二、工程結構減震控制系統(tǒng)的基本原理

工程結構減震控制系統(tǒng)包含結構消能減震、結構隔震、結構被動質(zhì)量調(diào)諧減震和結構的主動及半主動控制等多種方式。

(一)結構消能減震技術

傳統(tǒng)結構，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，變形嚴重時將導致建筑物的倒塌；消能減震結構，在主體結構達到彈塑性狀態(tài)前,耗能部件首先工作，充分的消耗地震能量，主體結構也將耗散一部分地震能量。由此可知，結構消能減震技術是將結構的承載能力與耗能能力區(qū)分開來，通過專門設置的高耗能裝置(例如耗能支撐、節(jié)點處阻尼器等)消耗輸入的地震能量，緩解結構主體的地震響應，使地震能量更少的作用于建筑物主體結構上，從而減輕主體結構的破壞。

(二)結構隔震技術

傳統(tǒng)結構僅依靠自身性能抵御地震作用，地震時，基礎與地基為“硬接觸”狀態(tài)，不利于緩解地震波的傳播；隔震結構，于基礎和上部結構之間布置隔震層，隔絕地震能量，降低地震響應，將“硬接觸”狀態(tài)轉變?yōu)椤败浗佑|”狀態(tài)，減小地震振動幅度，達到減震效果。結構隔震技術是一種被動控制技術，其結構特定部位設置的隔震裝置將隨結構一起發(fā)生振動變形，改變了結構的剛度、阻尼等；或改變了外荷載的傳遞途徑，達到了抑制結構動力反應的目的，使上部結構的地震反應控制在抗震設防要求范圍內(nèi)。

(三)結構被動質(zhì)量調(diào)諧控制技術

該技術主要通過在主體結構中設置子結構的方式，在遭受強烈地震作用時，主體結構的振動轉移至附加子結構，降低了地震對主體結構的破壞。

(四)結構主動與半主動控制方式

結構主動控制系統(tǒng)通常包含傳感器、控制器和作動器三部分，當結構受到激勵振動作用時，主動控制系統(tǒng)的控制器依據(jù)傳感器傳來的外部信息，依據(jù)現(xiàn)代先進的控制理論，通過作動器產(chǎn)生控制力作用于輔助子結構，而后傳導至主體結構，從而達到主動控制效果，作動器所需能量需從外部輸入。半主動控制系統(tǒng)，屬于參數(shù)控制系統(tǒng)，依賴傳感器傳來的外部激勵及結構響應信息，通過改變結構的阻尼或剛度的方式減小主體結構的響應，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控制系統(tǒng)和半主動控制系統(tǒng)相結合的控制方式，具有兩者優(yōu)點，控制效果良好。智能控制具有很強的學習能力，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)絡控制等先進算法。

三、消能減震和隔震設備的應用現(xiàn)狀

消能減震技術和隔震技術是工程結構減震控制體系中應用最為廣泛的技術手段，本文將著重介紹消能減震設備和隔震設備的應用現(xiàn)狀。

(一)消能減震設備的應用現(xiàn)狀

消能減震技術適用于高層建筑、大跨度橋梁等結構，通常由消能器(又稱阻尼器)、連接裝置及其他構件組成，其核心部件為阻尼器。目前，消能減震設備的應用較多，分類依據(jù)較多。通常阻尼器可劃分成速度相關型阻尼器如粘滯阻尼墻、粘彈性阻尼器等，位移相關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、彎剪型及扭轉型阻尼器；按照構件形式，可分成消能節(jié)點、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)隔震設備的應用現(xiàn)狀

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

四、結語

工程結構減震控制體系的應用前景非常廣闊，中國作為地震多發(fā)國家，對于結構的減震控制技術需求正逐漸增高，如何研發(fā)出效率更高，設計出更合理的結構減震技術成為了當前的研究重點。