(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

0 引言

人類面臨的重大自然災(zāi)害地震，往往由于它的隨機(jī)性和突發(fā)性，導(dǎo)致難以預(yù)測(cè)其發(fā)生地點(diǎn)及時(shí)間， 從而造成災(zāi)難性的后果。 結(jié)構(gòu)的抗震性能對(duì)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(guān)重要作用。而結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)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(shè)防的目標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

抗震設(shè)防目標(biāo)的設(shè)定是針對(duì)于建筑物的結(jié)構(gòu)而言的，即根據(jù)當(dāng)前社會(huì)、科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，當(dāng)結(jié)構(gòu)遇到不同等級(jí)的地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，保護(hù)人們的生命安全，降低財(cái)產(chǎn)損失，并盡可能地減少對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。規(guī)范也有條文做出了規(guī)定，當(dāng)建筑物所處的地域環(huán)境在抗震設(shè)防烈度上達(dá)到6度或者更高水平，一定要有抗震層面的相關(guān)設(shè)計(jì)。這個(gè)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(dāng)遭遇到不同等級(jí)的地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)需要具備相應(yīng)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(jí)相對(duì)較低，就被稱作多遇地震，對(duì)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(dāng)下科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的現(xiàn)狀上看，比較容易實(shí)現(xiàn)；如果地震發(fā)生的頻率較低且等級(jí)較高，對(duì)于這種破壞等級(jí)較強(qiáng)的地震，還要求達(dá)到建筑的主體結(jié)構(gòu)不被破壞的目標(biāo)，在科技與經(jīng)濟(jì)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(jì)利益，一舉兩得。所以，我國(guó)出臺(tái)的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中以上述原則為基礎(chǔ)，與抗震目標(biāo)、烈度對(duì)應(yīng)起來，從而得到了抗震設(shè)防的三個(gè)水準(zhǔn)和兩個(gè)階段[1]。

將三個(gè)水準(zhǔn)簡(jiǎn)單總結(jié)為：小震不壞、中震可修和大震不倒。簡(jiǎn)述兩階段設(shè)計(jì)的內(nèi)容為：

1)將地震、其他荷載作用后的效應(yīng)進(jìn)行組合，從而驗(yàn)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(jìn)而確保其能達(dá)到第一水準(zhǔn)的彈性變形、強(qiáng)度方面的要求。

2)當(dāng)遭遇到罕遇地震時(shí)，通過驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，從而確保其能達(dá)到第三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求。

1.2 抗震設(shè)計(jì)的基本方法

當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害出現(xiàn)時(shí)，相應(yīng)地會(huì)產(chǎn)生地震作用，該作用首先引起的是地面發(fā)生運(yùn)動(dòng)，然后才導(dǎo)致建筑物自身的結(jié)構(gòu)也一起運(yùn)動(dòng)。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(gè)期間所出現(xiàn)的一種慣性力。地面運(yùn)動(dòng)不止停留在單一方向上，針對(duì)對(duì)其分解，不僅能夠在豎直方向得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)分量，還能夠得到轉(zhuǎn)動(dòng)分量，在水平方向會(huì)得到兩個(gè)分量，并且這兩者是互相垂直的。地震災(zāi)害一般是突然性，盡管作用時(shí)間較短，但是這中間會(huì)伴隨著巨大能量的釋放。因此，當(dāng)具體到抗震的相應(yīng)計(jì)算過程里，特別是面對(duì)建筑物中的結(jié)構(gòu)時(shí)，一定要注意在選取相關(guān)理論以及計(jì)算的有關(guān)方法的時(shí)候，不僅要追求計(jì)算模型簡(jiǎn)化，還要考慮到與地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)所具備的特點(diǎn)相吻合。因?yàn)榻ㄖ锼诘膱?chǎng)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(jì)算地震作用的簡(jiǎn)化方法或者會(huì)更為簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的方法，可想而知，計(jì)算方法愈發(fā)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，與之對(duì)應(yīng)的工作量就會(huì)增加。就現(xiàn)在來說，在針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)角度上，普遍的用來進(jìn)行計(jì)算的方法主要有：底部剪力法、反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法[2]。

2 結(jié)構(gòu)抗震與減震控制方法

抗震設(shè)計(jì)中的主要思路就是如何增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵御地震的能力。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法有很多，其廣泛應(yīng)用的根本原理是增加結(jié)構(gòu)的自身強(qiáng)度、增大結(jié)構(gòu)的變形能力，從而提升對(duì)地震作用的抵抗能力。由于增強(qiáng)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(shè)計(jì)中，塑性鉸的應(yīng)用極大降低了結(jié)構(gòu)整體坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，并有效確保了結(jié)構(gòu)的整體性，但仍會(huì)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(yīng)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(dòng)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(shè)計(jì)，這些方法更為可靠，更為經(jīng)濟(jì)，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(zāi)減災(zāi)最有效的方法之一，目前按控制形式劃分可劃分成被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制4種方法。

2.1 被動(dòng)控制

被動(dòng)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(shí)對(duì)振動(dòng)在結(jié)構(gòu)中的傳播也有一定的抑制。被動(dòng)控制構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，經(jīng)濟(jì)性高，無需外界能源支持。是目前應(yīng)用最廣泛的減震方法。被動(dòng)控制主要包括基礎(chǔ)隔震、耗能減震和調(diào)諧減震。

2.1.1 基礎(chǔ)隔振

通過在建筑物底部設(shè)置控制機(jī)構(gòu)隔離地震能量的傳輸稱為基礎(chǔ)隔震。通過隔震裝置可以使結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(qiáng)度[3]。

2.1.2 耗能減震

耗能減震技術(shù)是把結(jié)構(gòu)物中的某些構(gòu)件設(shè)計(jì)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(shí)處于彈性狀態(tài)。但在強(qiáng)烈地震作用時(shí)，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(jìn)入非彈性狀態(tài)，從而確保主體結(jié)構(gòu)不進(jìn)入明顯的非彈性狀態(tài)，保護(hù)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(shù)利用在主體結(jié)構(gòu)中增加能使結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dòng)有所降低，從而達(dá)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(dòng)控制

結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制顧名思義是在結(jié)構(gòu)遭受地震荷載時(shí)才會(huì)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(dòng)器三個(gè)部分組成。主動(dòng)控制方法在地震來臨時(shí)利用外部能源，對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力，達(dá)到迅速減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的效果。 其工作原理為:傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和外部激勵(lì)，將監(jiān)測(cè)的信息傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)，計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的算法計(jì)算出控制力的大小，最后由外部能源驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器產(chǎn)生所需的控制力而施加于結(jié)構(gòu)上。[7]主動(dòng)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(dòng)控制。

2.3 半主動(dòng)控制

半主動(dòng)控制同樣需要外部激勵(lì)信息給出控制信號(hào)，與主動(dòng)控制不同的是，它需要的外部能量較少。通過對(duì)外部振動(dòng)的監(jiān)測(cè)提供給制動(dòng)器，使制動(dòng)器進(jìn)行少量調(diào)節(jié)并利用結(jié)構(gòu)振動(dòng)的往復(fù)相對(duì)變形或速度，盡可能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)最優(yōu)控制力，是參數(shù)控制的一種。半主動(dòng)控制兼具主動(dòng)控制優(yōu)良的控制效果和被動(dòng)控制簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了主動(dòng)控制需要大量能量供給和被動(dòng)控制調(diào)諧范圍窄的缺點(diǎn)，因此半主動(dòng)控制具有較大的研究和應(yīng)用開發(fā)價(jià)值，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

2.4 混合控制

混合控制是將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制同時(shí)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(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。后者是兩種控制各自獨(dú)立工作而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。近年研究較多的是以被動(dòng)控制為主，主動(dòng)控制為輔的主從組合方式?；旌峡刂茖⒅鲃?dòng)控制與被動(dòng)控制聯(lián)合應(yīng)用，可以充分發(fā)揮兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，克服各自的缺點(diǎn)，只需很小的能量輸入即可得到很好的控制效果。被動(dòng)控制由于引入主動(dòng)控制，其控制效果和調(diào)諧范圍有了極大的增強(qiáng)；另一方面，主動(dòng)控制由于被動(dòng)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(dòng)控制有所增強(qiáng)。

3 結(jié)語

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)抗震與減震在基礎(chǔ)隔震和耗能減震方面研究較多，基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方法也較為成熟，應(yīng)用范圍也較為廣泛，很多實(shí)際工程中都有應(yīng)用。從結(jié)構(gòu)抗震與減震控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來看，混合控制與半主動(dòng)控制需要的成本低，后期使用花費(fèi)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(lǐng)域會(huì)朝著高效能低成本的方向發(fā)展。