1、1结构减震控制技术在土木工程中的应用摘要：近年来地震自然灾害频发，严重威胁着人类的生存和发展，如：汶川大地震、海地大地震。建筑物预防和抵抗地震的能力也在不断提高，结构减震控制技术作为抗御地震的一种有效方法，得到了一定发展和应用，并成为比较成熟的技术运用到实际工程当中。结构减震控制技术改变了以往通过提高结构刚度、强度和延伸性来提高结构抗震能力的传统方法，而是通过调整或改变结构动力特征的途径，改变结构的震动反应，从而有效保护结构在地震中的安全。 关键词：结构减震控制技术土木工程 中图分类号：S969.1 文献标识码：A 文章编号： 引言 随着土木工程建筑高度的不断增加和轻质高强材料的大量使用，高层
2、建筑的刚度日益降低，对地震也越来越敏感。传统的单纯依靠增加结构刚度的抗震方法显然已经不再适应要求，取而代之的是结构减震控制措施。结构减震控制是指在土木工程结构特定部位，设置某种控制装置或施加外力，改变或调整结构的动力特性或动力作用，以减小工程结构振动反应的技术,对建筑物进行振动控制有着重要意义。 1.混凝土结构抗震设计 土木建筑结构构件震害一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角2柱和边柱易发生破坏。除剪跨比小短柱易发生柱中剪切破坏外，一般柱是柱端的弯曲破坏。同时，当柱侧有强度高的砌体填充墙紧密嵌砌时，柱顶剪切破坏严重，破坏部位还可能转移至窗洞上下处，甚至出现短柱的剪切破坏。因此，土木工程中混凝
3、土结构概念设计和细部构造设计对于目前抗震设计方法和未来基于性能抗震设计仍将是很重要的组成部分。混凝土结构抗震设计原理一是通过调整构建之间承载力的相对大小，实现合理的屈服机制，即“强柱弱梁” 、 “强墙肢弱连梁” 、 “强核心区弱构件” 。 根据我国抗震规范通过调整汇交在同一节点的梁端截面受弯承载力与柱端截面的正截面承载力的相对关系实现梁铰机制。 “强柱弱梁”措施是为了使梁端铰较早地出现，使柱端的塑性铰出现较晚，或根本不出现。梁铰机制之所以优于柱铰机制是因为梁铰分散在结构各层，即使梁端全部形成了塑性铰，结构仍不会形成机构，不至于受震时立即倒塌。二通过调整构件斜截面承载力和正截面承载力之间的相对大
4、小，实现构件延性破坏形态，即“强剪弱弯” 。适筋梁或大偏压柱，在正截面破坏时可以达到较好的延性，可以吸收和耗散地震能量，使内力重分布得以充分发展。而钢筋混凝土梁柱在受到较大剪力时，往往呈现脆性剪切破坏。“强剪弱弯”措施，是在进行框架梁、柱设计时，应当人为加大柱端、梁端和节点的组合剪力值，即加大这些部位相对于正截面承载力的抗剪能力，使结构能在大震引起的交替非弹性变形过程中，其任何部位都不会首先发生剪切破坏。 2.隔震控制技术 32.1 隔震控制技术的基本原理 隔震控制就是隔离地震对建筑结构的作用。隔震体系通常设置在结构底部与基础顶面之间,使上部结构与基础分离。通过隔震体系隔离地震波向上部结构的输
5、入,延长结构基本周期,降低建筑物地震反应,使结构加速度反应减小,让隔震系统承担地震能,起到减震作用。由地震反应谱知,随周期的增大,加速度反应谱逐渐减小,通常低层建筑物的刚度很大,因而周期短,地震时输入其中的加速度较大,所以如果采取措施加大延长结构基本自振周期,使其远离场地的卓越周期,使结构的基频处于地震能量高的频段之外,将会有效地降低建筑物的输入加速度。同时由地震反应谱还可看出,当周期增大时,位移反应谱逐渐增大,这就是说地震时由于建筑物周期的增大,反应位移将增加,若同时再加上阻尼,反应位移将不会过大,而且反应加速度下降的效果将更好。 2.2 常用的隔震装置及其应用 2.2.1 橡胶支座的应用
6、现代用于隔震的橡胶支座由橡胶片和薄片增强钢板粘合硫化加工而成,容易采用现代橡胶化工技术制造,如图 1 所示。它的水平向刚度较低,而垂直向刚度则很高。这种形式的橡胶支座首先在桥梁上使用。建筑与桥梁所用的橡胶支座结构基本相同,有类似的结构动力学要求,也同样具有耐久性、可靠性和包括防火在内的环境耐受性问题,在地震荷载作用下,橡胶支座可以隔离水平向的运动分量但在垂直向保持不动。因而既可以隔离由于地铁或公共交通产生的高频振动,也可以保护结构免受地震或其他振动的伤害。 42.2.2 铅芯橡胶支座的应用 铅芯橡胶支座是在叠层橡胶支座中部圆形孔中压入铅而成的,是对橡胶支座的一大改进。由于铅具有较低的屈服点和较
7、高的塑性变形能力,可使铅芯橡胶支座的阻尼比达到 20 %30 %。铅芯具有提高支座的吸能能力,确保支座有适度的阻尼,同时又具有增加支座的初始刚度,控制风反应和抵抗微震的作用。铅芯橡胶支座既具有隔震作用,又具有阻尼作用,因此可单独使用,无需另设阻尼器,使隔震系统的组成变得比较简单,可以节省空间,在施工上也较为有利。目前我国使用的最普遍的是铅芯橡胶支座,普通橡胶支座亦有少量应用,高阻尼叠层橡胶支座 目前我国尚无使用。 3.结构性减震技术 3.1 结构减震的基本原理 减震的思路是根据结构的地震反应，通过自动控制或者执行系统，主动的对结构施加一定的控制力，达到减小地震对结构的负面影响。从控制理论上看结
8、构减震的方式主要有两种：一是被动控制技术，此种方法没有外部能源的供给，也称之为无源控制技术。主要包括了隔震与减震两种。主动控制技术则是为系统提供能源供给，也是一种有源减震技术。 3.2 减震技术的优势 目前在实际的土木工程中应用的减震技术有隔震与减震，其中隔震的措施应用较为广泛。此两种方式研究与应用都起始于上个世纪中期，5末期技术提高了发展的速度与研究水平。这些积极的结构抗震方法与传统的消极抗震方式相比较优势如下： 3.2.1 结构性抗震与减震可以大幅度降低结构在地震作用中的变形，尽量使非结构件产生较少的破坏，从而减少震后的维修成本，对于一些典型的现代建筑非结构部分如：幕墙、饰面、公用设施等造
9、价逐步提高，甚至可以达到建筑造价的五成以上，因此减少其损坏有现实意义。 3.2.2 可以大幅度降低结构部件受到的地震的影响，从而降低结构抗震的成本支出，提高结构抗震的可靠性。同时隔震方法可以准确的控制传导至结构上的最大地震应力，从而克服了设计抗震结构的难度，不需要准确确定载荷。 3.2.3 隔震与减震设施在地震后会产生变形与损坏，对其进行复位与修理也相对与结构修复更加的简单与经济，因此可以降低建筑震后的恢复费用。 3.3 结构减震的适应性 在对结构减震的实践中，证明采用隔震结合消能减震的技术可以对高烈度的地震进行防范，在 7 度的地震中检测表明其土木工程结构所承受的地震作用大致相当与 5.5
10、级的地震烈度对建筑产生的破坏性影响，其结构在遭遇地震的时候工作范围仍然在弹性范围内，降低了结构在地震中产生的加速度、位移、速度等不良反应，从而减轻或者消除了结构部件的损坏，对土木工程起到了很好的保护效果。同时将隔震与消能减震的设计可以将非线性与大变形组件统一进行控制与保护，利用阻尼器与隔震支座对其进行保护，这样就可以将设计、试验、建造的重点放在6这些构件上，使得减震设计更加的具有目的性。因为结构处在弹性变形中因此对其进行分析与设计就更加的简单，分析结果越发可靠。 4.结束语 结构减震控制技术是一门科学性和技术性很强的应用科学,在结构设计中应用减震控制技术,能很好地减小地震反应从而降低抗震等级,同时建筑物的总造价增大不多。另外,随着结构减震技术的发展,减震系统造价不断减低,减震房屋的经济效益会越来越突现。结构减震技术代表着未来抗震技术的发展方向,值得大力推广应用。 参考文献： 1王卫勇. 浅议结构减震在建筑中的应用J.山西建筑, 2008,(19) 2邱晓平.土木工程结构的抗震设计探讨J.林业科技情报, 2007,(03) 3闫建军,史忠亚. 试论土木工程的结构抗震设防J. 科技信息, 2010,(18)
