孫義朋

(金地集團(tuán)煙臺公司，山東煙臺 264003)

0 引言

地震和風(fēng)對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的危害一直是人們關(guān)心并一直致力解決的問題。傳統(tǒng)的加大構(gòu)件的截面尺寸或提高材料的強(qiáng)度等級等被動消極的結(jié)構(gòu)對策，既不經(jīng)濟(jì)，又存在較大的問題［1］。隨著人們對居住條件要求的日益提高，居住安全認(rèn)識程度的日益加深，建筑抗震設(shè)計(jì)面臨越來越多的挑戰(zhàn)，如何有效控制地震等災(zāi)害對建筑造成的影響已經(jīng)成為工程領(lǐng)域面臨的一大問題。

1 結(jié)構(gòu)控制研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 結(jié)構(gòu)控制分類

結(jié)構(gòu)控制是人們對抗自然震災(zāi)、風(fēng)災(zāi)等自然災(zāi)害所獲得一項(xiàng)巨大突破，J.P.Yao(1972)［2］首先將這種思想和理念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)并系統(tǒng)地在工程領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)地研究拓展，他將一些現(xiàn)代的控制理論應(yīng)用到工程實(shí)踐中，通過建立一些耗能類的裝置實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制的目標(biāo)，這種積極主動的抗震設(shè)計(jì)新思想在土木工程界受到廣泛重視。結(jié)構(gòu)控制可以分為被動、主動、半主動、雜交四類控制系統(tǒng)［3，4］。

1.2 結(jié)構(gòu)控制的應(yīng)用與實(shí)例

1.2.1 主動控制的應(yīng)用與實(shí)例

主動控制應(yīng)用于工程實(shí)踐是從20世紀(jì)80年代中后期開始的。世界首例A-TMD是日本京橋成和大廈分別控制水平和扭轉(zhuǎn)振動，當(dāng)風(fēng)速為20 m/s時(shí)，頂層位移減少近60%。

顧明等針對風(fēng)荷載對高層建筑的影響，提出一種簡單的設(shè)計(jì)方法可以有效降低風(fēng)荷載對高層建筑的振動影響。Lev Zeltin將層間交叉錨索應(yīng)用于高層建筑的控制系統(tǒng)，此種方法能夠增強(qiáng)對結(jié)構(gòu)的控制效果。Roorda研究將氣體脈沖發(fā)生器應(yīng)用到高聳結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)之中，研究表明提出的控制系統(tǒng)對于橋梁結(jié)構(gòu)和高層建筑風(fēng)振影響控制效果良好。王強(qiáng)，安立剛等通過改變鋼板的平面幾何形狀減小應(yīng)力集中，提出一種利用鋼板平面內(nèi)受力屈服耗能的新型鋼板耗能阻尼器，通過分析表明耗能效果較好。

主動控制無疑是一種比較理想的方法，可以提供很大的作用力，在地震過程中進(jìn)行主動防御控制，但是所需的控制設(shè)備很昂貴，推廣受到了一定的影響。

1.2.2 被動控制的應(yīng)用與實(shí)例

結(jié)構(gòu)被動控制主要是在結(jié)構(gòu)中加入消耗地震能量或者起到吸振作用的裝置來達(dá)到控制震害的目的。

我國的TMD如九江鐵路公路兩用長江大橋，我國著名的43層香港匯豐銀行新大樓也都是采用此類的設(shè)計(jì)方法(見圖1)。歐進(jìn)萍等通過將Pall摩擦耗能器進(jìn)行改進(jìn)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的耗能抗震，通過力學(xué)分析以及大量的數(shù)值計(jì)算分析驗(yàn)證了改進(jìn)成的鋼板耗能器，能夠顯著降低地震對結(jié)構(gòu)造成的影響。

被動控制低廉的造價(jià)，且原理簡單操作便宜，使得其在實(shí)際工程中得到大量應(yīng)用。

1.2.3 半主動控制的應(yīng)用與實(shí)例

半主動控制最早在日本開始應(yīng)用，代表性的工程實(shí)例就是建于1990年的東京鹿島技術(shù)研究所大樓。應(yīng)用可變阻尼的Kajima Shizuoka大樓也是采用此種控制體系(見圖2)。

圖1 香港匯豐銀行新樓

圖2 Kajima Shizuoka大樓

國內(nèi)劉季和李敏霞首次完成我國變剛度半主動結(jié)構(gòu)控制的振動臺試驗(yàn)。閻興華提出“可控消能減震”的理論，該方法能夠有效降低地震對建筑結(jié)構(gòu)造成的影響，研究表明可將地震位移反應(yīng)降低一半以上。

相比于主動控制，半主動控制價(jià)格較為低廉，而且在工程實(shí)施過程中操作相對簡單易于掌握，因而具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.2.4 雜交控制的應(yīng)用與實(shí)例

雜交控制是主動與被動兩種控制體系的結(jié)合體，將兩種控制方法在同一結(jié)構(gòu)中綜合應(yīng)用。按照組成元素在控制作用中所起作用可以分為主從組合方式和并列方式兩種形式。

J.N.Yang等［6］將主動控制體系和被動控制體系聯(lián)合的思想引入到工程領(lǐng)域之中，通過橡膠隔振基礎(chǔ)與TMD的聯(lián)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了兩種結(jié)構(gòu)控制體系的融合，并對相關(guān)理論進(jìn)行了研究分析。

2 基于性能的結(jié)構(gòu)控制的設(shè)計(jì)方法

基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)思想實(shí)際上就是針對未來可能發(fā)生的地震災(zāi)害對建筑采取一定的措施使其能夠滿足基于假設(shè)震災(zāi)情況下的性能要求。目前的基于性能的設(shè)計(jì)實(shí)際上還是基于位移的抗震設(shè)計(jì)，主要有以下幾種方法。

2.1 延性系數(shù)設(shè)計(jì)方法

按延性系數(shù)的設(shè)計(jì)方法主要在新西蘭等國家被采納應(yīng)用。這種方法是從構(gòu)件的延性指標(biāo)如延性系數(shù)和截面曲率等與混凝土發(fā)生塑性屈服區(qū)域的應(yīng)變關(guān)系出發(fā)，使混凝土能夠充分發(fā)揮其強(qiáng)度特性，最大限度的保證結(jié)構(gòu)的延性。

2.2 能力譜法

能力譜法的最早提出者是Fereman，由于其初期理論存在一些缺陷，在后期的發(fā)展過程中，不斷被各國研究學(xué)者所改進(jìn)與完善。方法的實(shí)質(zhì)是基于結(jié)構(gòu)彈塑性分析受力的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后考慮結(jié)構(gòu)的形變對其進(jìn)行校核。雖然能力譜法還有很多不完善的地方，但方法本身對于震災(zāi)情況下結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)可以進(jìn)行直觀的評價(jià)，因而目前很多國家依然采用此種方法。

2.3 基于位移的設(shè)計(jì)方法

從方法的概念上可以看出，此方法的本質(zhì)就是直接以位移作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)，以結(jié)構(gòu)的位移指標(biāo)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其滿足規(guī)范要求的某種使用功能以及結(jié)構(gòu)性能要求。

方法的概念清楚，并且在設(shè)計(jì)過程中可以直接獲得構(gòu)件的截面特性，又可以反映結(jié)構(gòu)在震災(zāi)過程中破壞的實(shí)質(zhì)情況，基于位移設(shè)計(jì)方法的諸多優(yōu)點(diǎn)使其比其他幾種方法的應(yīng)用范圍更加廣泛。

3 結(jié)構(gòu)控制存在的問題與發(fā)展方向

3.1 結(jié)構(gòu)控制存在的問題

結(jié)構(gòu)振動控制經(jīng)過國內(nèi)外研究學(xué)者近幾十年的不斷研究與探索，雖然不僅理論、試驗(yàn)方面取得了諸多的創(chuàng)新與發(fā)現(xiàn)，而且在大量的工程應(yīng)用之中都取得了不小的進(jìn)步，對于地震和風(fēng)荷載等破壞影響起到了很好的控制作用，但在控制模型和控制理論等方面存在一些問題：

1)結(jié)構(gòu)控制的模型問題。結(jié)構(gòu)控制所建立的模型對于建筑物在實(shí)際工作中的效應(yīng)沒能考慮完全，例如模型對土—結(jié)構(gòu)之間相互作用考慮問題等;

2)結(jié)構(gòu)控制的理論的研究工作還有待深入。結(jié)構(gòu)控制從提出至今其內(nèi)容體系一直處于不斷完善的進(jìn)程當(dāng)中，對于結(jié)構(gòu)控制所涉及的一些細(xì)節(jié)問題研究尚未充分。例如控制結(jié)構(gòu)以及參數(shù)的優(yōu)化問題，其他學(xué)科在此領(lǐng)域中關(guān)鍵問題解決中的交叉應(yīng)用等;

3)結(jié)構(gòu)控制的措施存在問題。目前實(shí)際工程中采用的控制措施往往造價(jià)高昂，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際施工難度較大，這些都限制了結(jié)構(gòu)控制在工程實(shí)踐中的大量推廣應(yīng)用。

3.2 結(jié)構(gòu)控制的發(fā)展方向

基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論在國內(nèi)外大量學(xué)者的不懈努力下，無論從理論創(chuàng)新還是工程應(yīng)用方面都取得了很大的進(jìn)展，目前結(jié)構(gòu)控制的思想以及理論已經(jīng)在工程建設(shè)中得到大范圍的推廣和應(yīng)用，并且衍生出了眾多的發(fā)展方向需要工程人員共同奮斗。

1)性能設(shè)計(jì)的理論框架方面還有待于擴(kuò)充和完善，對于建筑實(shí)際工作狀態(tài)下的一些作用效應(yīng)應(yīng)該進(jìn)行全方位考慮，使其理論更貼合實(shí)際;

2)地震具有地域性差異，有的地區(qū)位于地震帶上而有的地區(qū)極少受到地震影響，因此考慮各地實(shí)際情況的結(jié)構(gòu)控制目標(biāo)的設(shè)立有待于深入研究;

3)目前我國的建筑體系處于高速發(fā)展階段，在現(xiàn)階段建立符合本國國情的性能目標(biāo)，也是結(jié)構(gòu)控制的一個(gè)發(fā)展方向;

4)可靠度是我國建筑設(shè)計(jì)中廣泛采用的方法，因此有必要在結(jié)構(gòu)控制理論中進(jìn)行基于性能設(shè)計(jì)的可靠度研究。

［1］ 周錫元，閻維明，楊潤林.建筑結(jié)構(gòu)的隔振、減振和震動控制［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002，23(2)：2-10.

［2］ J.P.Yao.Concept of structural control.J Struct Div，ASCE，1972，98(7)：1567-1574.

［3］ 李忠獻(xiàn).結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)優(yōu)化阻尼器控制及非經(jīng)典阻尼結(jié)構(gòu)動力分析［D］.天津：天津大學(xué)博士論文，1991.

［4］ 李桂青，鄒祖軍.結(jié)構(gòu)振動控制評述［J］.地震工程與工程振動，1987，7(1)：83-93.

［5］ 李宏男，閻 石.中國結(jié)構(gòu)控制的研究與應(yīng)用［J］.地震工程與工程振動，1999，19(1)：107-112.

［6］ J.N.Yang，Danielians A，Liu S C..A seismic Hybrid control systems for building structures，Journal of Engineering Mechanics，1991，117(4)：836-853.