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性，導致難以預測其發生地點及時間， 從而造成災難性的后果。 結構的抗震性能對于結構的安全性以及突發情況下結構的承載力起著至關重要作用。而結構抗震的設計基礎則是結構的抗震分析理論和結構減震控制方法。

1 結構抗震分析理論

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構而言的，即根據當前社會、科技與經濟發展狀況，當結構遇到不同等級的地震災害發生時，保護人們的生命安全，降低財產損失，并盡可能地減少對結構的破壞。規范也有條文做出了規定，當建筑物所處的地域環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。這個規定就表明建筑物結構處于正常使用狀態條件下，當遭遇到不同等級的地震災害發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構基本不被破壞，從當下科技與經濟發展水平的現狀上看，比較容易實現；如果地震發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構不被破壞的目標，在科技與經濟層面上分析就顯得不合理了；然而如果可以允許結構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，又能兼顧到經濟利益，一舉兩得。所以，我國出臺的《建筑抗震設計規范》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為：小震不壞、中震可修和大震不倒。簡述兩階段設計的內容為：

1)將地震、其他荷載作用后的效應進行組合，從而驗算建筑物結構中的構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，通過驗算結構的彈塑性變形，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

當地震災害出現時，相應地會產生地震作用，該作用首先引起的是地面發生運動，然后才導致建筑物自身的結構也一起運動。這種荷載并不是直接施加在建筑物自身的結構上面，而是伴隨著這個期間所出現的一種慣性力。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構時，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構的類型還有建筑高度等方面的不同，所以需要依據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，計算方法愈發簡單、準確，與之對應的工作量就會增加。就現在來說，在針對建筑結構的抗震設計角度上，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 結構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構抵御地震的能力。結構的抗震設計方法有很多，其廣泛應用的根本原理是增加結構的自身強度、增大結構的變形能力，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傳遞到結構中去。在以往的結構設計中，塑性鉸的應用極大降低了結構整體坍塌的風險，并有效確保了結構的整體性，但仍會出現結構構件的損傷，造成安全性隱患。現有消減結構地震反應的方法主要采用隔震法、耗能法、施加外力法、調整結構動力特性法等確保結構本身的整體性以保證結構的安全。相比傳統的結構抗震設計，這些方法更為可靠，更為經濟，更加有效，適用范圍也更加廣泛。結構抗震與減震是土木工程、結構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生的能量，同時對振動在結構中的傳播也有一定的抑制。被動控制構造簡單，易于維護，經濟性高，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、耗能減震和調諧減震。

2.1.1 基礎隔振

通過在建筑物底部設置控制機構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構振動減輕，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構物中的某些構件設計成耗能部件，或者是在結構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。但在強烈地震作用時，地震波的能量傳入結構中，耗能桿件和阻尼大量消耗地震產生的能量，進入非彈性狀態，從而確保主體結構不進入明顯的非彈性狀態，保護主體結構不被破壞[4，5]。按照耗能裝置的不同，耗能減震體系可分為兩類:耗能構件減震體系和阻尼器耗能減震體系[6]。

2.1.3 調諧減震

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

2.2 主動控制

結構主動控制顧名思義是在結構遭受地震荷載時才會觸發的消能減震控制方法。主要控制系統大多由傳感器、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，對結構施加控制力，達到迅速減小結構振動的效果。 其工作原理為:傳感器監測結構的動力響應和外部激勵，將監測的信息傳入計算機內，計算機根據給定的算法計算出控制力的大小，最后由外部能源驅動作動器產生所需的控制力而施加于結構上。[7]主動控制可以根據地震波調節控制力的大小，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測提供給制動器，使制動器進行少量調節并利用結構振動的往復相對變形或速度，盡可能實現主動最優控制力，是參數控制的一種。半主動控制兼具主動控制優良的控制效果和被動控制簡單易行的優點，同時克服了主動控制需要大量能量供給和被動控制調諧范圍窄的缺點，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構上的結構減震控制形式。根據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構進行控制。后者是兩種控制各自獨立工作而對結構進行控制。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。混合控制將主動控制與被動控制聯合應用，可以充分發揮兩種控制系統的優點，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，抗震系統的穩定性和可靠性都比單純的主動控制有所增強。

3 結語

現有的結構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。從結構抗震與減震控制技術的發展趨勢來看，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良的減震隔震作用。今后的研究和發展領域會朝著高效能低成本的方向發展。