結(jié)構(gòu)地震控制的理論與實(shí)踐

結(jié)構(gòu)的抗壓設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了靜力理論和反應(yīng)譜理論的階段，并發(fā)展到當(dāng)前的動(dòng)態(tài)分析階段。關(guān)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究早在20世紀(jì)初始于機(jī)械工程,而后發(fā)展到航空航天工程。50年代,日本學(xué)者Kobori和Minai提出了主動(dòng)控制地震反應(yīng)和動(dòng)力智能建筑的思想;1972年,美國(guó)普渡大學(xué)J.T.P.Yao教授提出了土木工程結(jié)構(gòu)控制的概念。1981年,我國(guó)王光遠(yuǎn)院士首先對(duì)高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制的研究狀況作了綜合評(píng)述。結(jié)構(gòu)控制通過(guò)調(diào)整或改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù),來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)的設(shè)防要求。結(jié)構(gòu)控制技術(shù)根據(jù)控制力是否由外部能源提供的屬性分為主動(dòng)控制、被動(dòng)控制和把二者相結(jié)合的混合控制、半主動(dòng)控制和智能控制。由于被動(dòng)控制不需要外界能量的輸入,所以它成了現(xiàn)今結(jié)構(gòu)控制的主流。1被動(dòng)控制1.1隔震系統(tǒng)的組成“基礎(chǔ)隔震”是在建筑物與基礎(chǔ)之間設(shè)置一層具有足夠可靠度的“隔震層”(也稱“隔震系統(tǒng)”),以控制地面運(yùn)動(dòng)向上部結(jié)構(gòu)的傳遞。它包括上部結(jié)構(gòu)、隔震裝置和下部結(jié)構(gòu)三部分,如圖1?；A(chǔ)隔震裝置主要有橡膠墊和滑動(dòng)支座。1.1.1結(jié)構(gòu)與地震風(fēng)險(xiǎn)由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知,延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期,給于適當(dāng)阻尼會(huì)使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減弱,而隔震層確實(shí)能夠延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的水平自振周期,本身又有一定的阻尼。同時(shí),結(jié)構(gòu)的大位移主要由結(jié)構(gòu)底部與地基之間的隔震系統(tǒng)提供,而不是由結(jié)構(gòu)自身的相對(duì)位移承擔(dān),從而也就減小了上部結(jié)構(gòu)的地震位移反應(yīng)。因而通過(guò)“隔震層”使建筑物與地基隔開,可以延長(zhǎng)建筑物的水平自振周期,使地震各種破壞力對(duì)上部建筑無(wú)直接拉力,減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。1.1.2地基土厚度隔震建筑所在場(chǎng)地應(yīng)屬于抗震有利地段或是采取抗震措施的不利地段。隔震建筑適合于比較穩(wěn)定的地基,土質(zhì)越硬,隔震效果越好。地震波穿過(guò)地基土到達(dá)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),如果土質(zhì)非常軟,地震波中的高頻成分被濾掉,地基土產(chǎn)生長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng),延長(zhǎng)剛性結(jié)構(gòu)的周期將放大而不是減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。對(duì)于可能產(chǎn)生液化的土層,應(yīng)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理?！盎A(chǔ)隔震”只能用于抗震,不能用于抵御風(fēng)振。1.1.3上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)隔震建筑計(jì)算包括上部結(jié)構(gòu)計(jì)算、基礎(chǔ)計(jì)算和隔震層變形計(jì)算。隔震層的計(jì)算要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡卣鸩ㄇ闆r進(jìn)行。在保證大震時(shí)隔震層安全的前提下,隔震使上部結(jié)構(gòu)的地震作用比不隔震時(shí)有所降低,確認(rèn)與降低后的地震作用相應(yīng)的不隔震時(shí)的地震烈度及隔震后地震作用進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)對(duì)自重、風(fēng)荷載、積雪荷載等的驗(yàn)算,采用與非隔震相同的方法進(jìn)行。因?yàn)槟壳暗母粽鹬ё痪哂懈綦x水平地震的功能,對(duì)垂直地震沒(méi)有隔震效果。1.1.4橡膠隔震裝置疊層橡膠支座。疊層橡膠支座的構(gòu)造如圖2。目前的橋梁隔震系統(tǒng)多采用鉛芯橡膠支承,安裝在橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋墩和橋臺(tái)之間。新西蘭的TeTeko大橋和美國(guó)南加州大學(xué)的醫(yī)院大樓均采用了橡膠隔震裝置,取得了良好的抗震效果?；?、轉(zhuǎn)動(dòng)支座。砂墊層、石墨墊層滑動(dòng)支座以及用鋼板聚四氟乙烯為滑動(dòng)材料的支座,都是普通滑動(dòng)支座。這種支座不具有位移恢復(fù)能力和明確的周期?；瑒?dòng)支座一般由上下兩支撐面和中間的滑塊組成,其明顯的缺點(diǎn)是難以復(fù)位。圖3所示的以聚四氟乙烯為磨擦材料的滑板、以普通軟鋼鋼板冷彎而成的U型鋼板作為限位裝置的隔震裝置磨擦系數(shù)穩(wěn)定,抗震性能優(yōu)良,可以作為實(shí)際工程應(yīng)用的滑動(dòng)隔震裝置。1.1.5夾層橡膠墊、隔震墻體的設(shè)計(jì)1995年阪神地震后,日本采用基礎(chǔ)隔震方法建成的房屋數(shù)量有500余棟。我國(guó)1996年采用夾層橡膠墊建成國(guó)內(nèi)最高為42m13層RC框架汕頭博物館。目前,我國(guó)已在汕頭建成隔震裝置的專用生產(chǎn)廠家,并在四川西昌和新疆獨(dú)子山等地建成了多棟隔震建筑。一個(gè)隔震建筑物除了解決建筑物自身的隔震外,還必須對(duì)附屬工程(如給排水管道、煤氣管道、通訊設(shè)施等)進(jìn)行相應(yīng)的處理,使其能追隨上部結(jié)構(gòu)的位移而不致破壞。通常是采用柔性或半柔性接頭。對(duì)于目前大量使用的夾層橡膠墊而言,其生產(chǎn)制造質(zhì)量、結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)合理性及其安裝質(zhì)量等都是應(yīng)用夾層橡膠墊值得注意的問(wèn)題?？偟恼f(shuō)來(lái),在IV類場(chǎng)地土上采用隔震結(jié)構(gòu)宜慎重,因?yàn)殚L(zhǎng)周期地震運(yùn)動(dòng)對(duì)隔震建筑將會(huì)帶來(lái)不良影響。同時(shí),隔震的考慮方法不宜用于高度過(guò)高和從外觀看過(guò)于細(xì)長(zhǎng)的建筑物,因?yàn)樵谶@種情況下會(huì)導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生過(guò)大的傾覆彎矩。這時(shí),采用在上部結(jié)構(gòu)上設(shè)置各種阻尼器或調(diào)頻機(jī)構(gòu)等減震措施,對(duì)于耗散地震能量、減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)是比較合適的。1.2能源衰減耗能減震結(jié)構(gòu)主要是指在結(jié)構(gòu)中設(shè)置被動(dòng)耗能器或調(diào)諧阻尼器的結(jié)構(gòu)。1.2.1能耗減震器體系一般而言,框架結(jié)構(gòu)具有較好的延性,但其側(cè)移剛度較小,在地震作用下,難以控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞或倒塌?？蚣堋⒓袅Y(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力較強(qiáng)、剛度也較好,在地震作用下剪力墻一般先于框架破壞,震害主要集中在墻肢底部、連梁或樓層位置,給修復(fù)帶來(lái)困難。耗能減震框架體系具有較高的強(qiáng)度和剛度,在正常使用荷載和中小地震作用下,其工作性能和普通支撐框架一樣,而在大地震作用下,耗能減震器開始工作,通過(guò)磨擦滑移、滯回變形耗散地震輸入結(jié)構(gòu)的大部分能量;同時(shí)由于耗能支撐的軟化使結(jié)構(gòu)體系的自振周期加長(zhǎng),降低了地震反應(yīng),從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在大震中免于破壞或產(chǎn)生較大的變形。1.2.2能器和能耗器歐進(jìn)萍提出了耗能減振結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的統(tǒng)一方法。首先,提出了速度相關(guān)型耗能器(粘性和粘彈性耗能器)和滯變型耗能器(磨擦型和金屬耗能器)等效阻尼和剛度計(jì)算方法;其次,提出了在結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的振型分解反應(yīng)譜法中耗能器可統(tǒng)一歸結(jié)為結(jié)構(gòu)附加振型阻尼比的方法;第三,通過(guò)耗能減振結(jié)構(gòu)彈性和彈塑性地震反應(yīng)分析方法的提出,將耗能減振結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為普通結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。1.2.3結(jié)構(gòu)的底部支撐磨擦耗能減震裝置。磨擦耗能器是依靠材料的磨擦來(lái)消耗能量的。1982年P(guān)all和Marsh研究了一種安裝在X型支撐中央的雙向磨擦器。耗能支撐的布置應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的工作性能(包括剛度、延性、強(qiáng)震下的彈塑性性能等)、建筑功能和經(jīng)濟(jì)等要求,綜合比較選擇相對(duì)較好的方案。耗能支撐常集中布置在結(jié)構(gòu)中不需要通道的豎向區(qū)格或單榀結(jié)構(gòu)上,如布置在電梯間、設(shè)備間、樓梯間附近及它們之間的位置上。對(duì)于剪力型的低層結(jié)構(gòu),應(yīng)注意在結(jié)構(gòu)的底部設(shè)置耗能支撐;對(duì)于彎曲型的中高層結(jié)構(gòu),應(yīng)注意在結(jié)構(gòu)的頂部設(shè)置耗能支撐。粘彈性阻尼器。粘彈性阻尼器一般是將固體的粘彈性材料粘貼或硫化固定在幾塊鋼板之間制作而成,鋼板的往復(fù)相對(duì)變形促使粘彈性層往復(fù)剪切變形而耗散能量。一般設(shè)在結(jié)構(gòu)中能產(chǎn)生相對(duì)變形的位置上,如斜撐、人字形支撐、梁柱節(jié)點(diǎn)或桁架下弦桿等。當(dāng)結(jié)構(gòu)層間發(fā)生位移時(shí),粘彈性阻尼器會(huì)產(chǎn)生剪切滯回變形,耗散輸入的振動(dòng)能量,減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)。陳月明在普通粘彈性阻尼器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)杠桿,杠桿具有放大位移的作用,它可將一個(gè)較小的結(jié)構(gòu)位移放大若干倍之后傳遞給粘彈性阻尼器,使粘彈性阻尼器感受較大的剪切變形,從而大量耗散結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量,達(dá)到減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的。美國(guó)1996年建成的紐約110層的世界貿(mào)易中心的兩座塔樓各裝有10000個(gè)粘彈性耗能器,有效地減少了風(fēng)振反應(yīng)。西雅圖哥倫比亞中心運(yùn)用這種耗能裝置也獲得了很大的成功。這種阻尼器由于材料的特性,需要經(jīng)常維護(hù);在強(qiáng)烈振(振)動(dòng)時(shí)阻尼力也不明確。金屬阻尼器。這類裝置有軟鋼耗能裝置、鉛擠壓阻尼器等。1.2.4復(fù)合磨損型消能支撐設(shè)計(jì)耗能減震(振)裝置適用于高度較大、水平剛度較大、水平位移較明顯的多層(15層以上)、高層、超高層建筑,大距度橋梁、管線、塔架、高聳結(jié)構(gòu)等,結(jié)構(gòu)越高越柔,減震消能效果越顯著。復(fù)合磨擦型消能支撐首次應(yīng)用于廣州市28層中房大廈工程。江蘇新沂市某商業(yè)樓,結(jié)構(gòu)形式為復(fù)合耗能支撐框架,總高度49.6mm。1997年沈陽(yáng)市政府大樓接層抗震加固中成功地采用了磨擦耗能裝置。1.3結(jié)構(gòu)的分配吸振減震技術(shù)是在主體結(jié)構(gòu)中附加子結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)移,即使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量在原結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)之間重新分配,從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。常見的吸振減震裝置有調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)、調(diào)頻液體阻尼系統(tǒng)(TLD)、調(diào)頻液柱式阻尼系統(tǒng)(TLCK)、質(zhì)量泵和液壓—質(zhì)量控制系統(tǒng)(HMS)等。類似地,樓層加層減震技術(shù)是運(yùn)用結(jié)構(gòu)被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量減震的基本原理,在已有樓房上加層,達(dá)到提高已有樓房耐震性能的一種技術(shù)方法。1.4高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)及沖突總的說(shuō)來(lái),基礎(chǔ)隔震體系多用于多層建筑結(jié)構(gòu);耗能減震體系多用于多、高層建筑結(jié)構(gòu);而高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)及高聳結(jié)構(gòu)則以采用吸振減震體系為主。有控結(jié)構(gòu)雖說(shuō)具有明顯的綜合效益,但也存在很多問(wèn)題。例如,控制裝置的可靠度問(wèn)題,結(jié)構(gòu)局部受力問(wèn)題,結(jié)構(gòu)層間剪力的分配問(wèn)題,商業(yè)軟件的開發(fā)問(wèn)題,控制裝置的防火和耐久性問(wèn)題。2結(jié)構(gòu)控制理論研究主動(dòng)控制分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制。如圖5,主動(dòng)控制裝置通常是由傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)器(含阻尼器三部分組成,傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)外部激勵(lì)或結(jié)構(gòu)響應(yīng),計(jì)算機(jī)根據(jù)選擇的控制算法處理監(jiān)測(cè)的信息及自選所需要的控制力,驅(qū)動(dòng)設(shè)備根據(jù)計(jì)算機(jī)指令產(chǎn)生需要的控制力。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制理論的研究是以各種控制算法為主線,采用計(jì)算分析各模擬方法研究結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的可行性,結(jié)構(gòu)在不同控制律控制下,對(duì)不同輸入的響應(yīng),控制系統(tǒng)的時(shí)滯效應(yīng)和時(shí)滯補(bǔ)償,控制參數(shù)對(duì)控制效果的影響,結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性及控制機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)控制效果的影響等問(wèn)題。主動(dòng)控制雖然效果優(yōu)于被動(dòng)控制,適用于寬帶控制,但它不僅需要較大的控制力、詳細(xì)的狀態(tài)信息,而且本身也不穩(wěn)定;被動(dòng)控制適用于窄帶控制,可它對(duì)隨機(jī)振動(dòng)效果有限。目前,主動(dòng)控制已進(jìn)入第二代階段,即進(jìn)行參數(shù)控制和智能控制?；旌峡刂坪桶胫鲃?dòng)控制是結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的另一重要方向?；旌峡刂频囊话阈问绞菍⒒赘粽鹋c阻尼器或耗能器相結(jié)合,以達(dá)到更好的控制效果。半主動(dòng)控制則是一種主動(dòng)開關(guān)式的被動(dòng)控制,利用少量能量改變控制參數(shù),提高控制效果。目前,主動(dòng)、半主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固在技術(shù)上還有相當(dāng)?shù)碾y度,再加上所需費(fèi)用較高,一般不適用于結(jié)構(gòu)加固,而被動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用則具有可行性。3控制系統(tǒng)更可靠半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制參數(shù)控制,它是依賴于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)或動(dòng)荷載的信息實(shí)時(shí)改變結(jié)構(gòu)的參數(shù)來(lái)減小結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。它更易于實(shí)施,并且它的控制系統(tǒng)更為可靠。半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制的控制效果優(yōu)于被動(dòng)控制,略遜于主動(dòng)控制。半主動(dòng)控制不需要外界能量輸入,因而是一種很有發(fā)展前景的抗震控制方法。劉季研制了變剛度半主動(dòng)控制系統(tǒng)并成功地完成了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。是我國(guó)第一個(gè)半主動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)。劉文鋒對(duì)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。這種措施的實(shí)質(zhì)是瞬時(shí)地改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,使之能夠主動(dòng)地適應(yīng)外荷載的變化。4代中期的發(fā)展智能控制的研究主要包括主動(dòng)智能控制方法的研究(如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等)和功能材料在結(jié)構(gòu)中的控制研究?jī)刹糠帧?0年代中期,美國(guó)因?qū)嶋H需要萌生了“智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)”的新概念。這是由傳感、驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)三大要素組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。常見的智能材料有形狀記憶合金(SMA)、壓電材料、壓磁材料、電流變體(ER)和磁流變體(MR)、電致伸縮和磁致伸縮材料等。這些智能材料本并無(wú)智能特點(diǎn),只有當(dāng)它們與結(jié)構(gòu)、傳感器和控制器一起形成整體時(shí)才能有效地發(fā)揮作用,達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)智能控制的目的。感興趣的讀者可參閱Tain等人的綜述性文章。5積極控制底層地震反應(yīng)混合控制就是結(jié)構(gòu)中簡(jiǎn)單地聯(lián)合施加主動(dòng)控制和被動(dòng)控制,以減少結(jié)構(gòu)在外界荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng),提高結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)能力。例如,底層大空間高層建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比柔性底層的多層建筑的質(zhì)量大得多。因而,其底層和上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)就很大,必須控制。HDS這種被動(dòng)控制系統(tǒng)能夠有效地減少底層地震反應(yīng),但它對(duì)上部結(jié)構(gòu)的控制效果相對(duì)較差;而安裝在結(jié)構(gòu)頂端的AMD主動(dòng)控制系統(tǒng)又有顯著的控制效果,但它需要較大的控制力和相應(yīng)設(shè)備,卻又較難實(shí)現(xiàn)。祁凱提出了采用混合控制系統(tǒng)HDS-AMD控制該類建筑地震