1、高层建筑结构中结构震动控制的科学应用摘要：中国位于两大板块交界处，地壳运动比较活跃，是地震多发的国家，另外，近年来我国经济迅猛发展，全国各地高层建筑拔地而起。由于高层建筑体积庞大，所承载的人员、财产密集，大地震带来的人员伤亡和经济损失越来越大。由历次地震灾害分析来看，高层建筑结构倒塌是造成人员伤亡和经济损失的根本原因。土木工程结构能够有效地减轻结构在地震等外力作用给建筑物带来的损伤，是目前用得比较广泛的防震减灾的方法。 关键词：高层建筑结构震动控制 抗震性 中图分类号：TU97 文献标识码： A 一、高层建筑结构的震动控制 高层建筑结构的震动控制是以结构的减震为研究目的的，分为主动控制与被动控
2、制。其中在，主动控制是通过控制器向结构施加控制能量，而被动控制则是通过实施隔震吸能器等结构来减少结构的动力反应，从而达到减震的目的。主动控制可以对结构进行合理控制，但是需要输入能量，这不仅对技术要求高，费用也相当昂贵，因此目前很少有用这种方法的；被动控制虽然具有一定的局限性，但不需要外力支持，造价也比较低，因此得到广泛应用。于此同时，还有以被动控制为主，主动控制为辅的说法，即混合控制。 在目前，被动控制分为基础隔震、耗能隔震以及吸能减震三种。基础隔震是是一种有效的抗震技术，发生地震时能够有效地保护建筑物的结构和内部设置，是通过隔震装置或减震装置来延长整个建筑物结构体系的自振周期，减小地震对建筑
3、物上部输入的能量，从而达到预期的减震要求。耗能减震技术是通过在结构上设置耗能装置，地震发生时，通过局部变形来提供阻尼，从而消耗建筑物上部结构的能量，这种技术适用范围广泛。另外还有一种是被动调谐减震，这种控制体系由结构和其子结构组成，通过子结构的特性调节子结构的自振频率，从而使主结构的反映减弱并受到控制。 主动控制是一种通过外界提供能源来实现其震动控制的方法，这种控制技术理论上可以应用于任意结构的震动控制，其减震效果比被动控制好。它是现代控制理论与自动控制技术相结合应用于结构抗震的一种高新技术，由于这种技术需要外界提供能源，成本特别高，所以没有得到广泛应用。 半主动控制是少量外加能源的控制，控制
4、力由控制装置自身的运动产生，在控制的过程中，控制装置可以充分利用外界能源对自身参数进行主动调节，从而起到了调节控制力的作用。这种控制措施充分利用了被动控制与主动控制的优势，比单种控制具有更高的可靠性。 混合控制系统是一种杂交控制系统，在结构上同时施加主动控制与被动控制，将主动控制与被动控制结合起来，联合应用，克服了单种控制应用的局限性，充分发挥出两种控制的系统的优势。这种混合控制为震动控制的结构提供了更大的安全保障，几种控制措施联合应用，必将运用于未来的高层建筑中的结构震动控制。 二、高层建筑结构设计要点 七十年代以来，我国一直在总结大地震灾害造成高层建筑严重破坏的原因，并提出了结构抗震概念设
5、计。虽然小有成效，但还有很多不足之处。比如以主体结构的破坏为代价，利用建筑主体结构自身的延性来消耗地震能量，这种抗震概念设计在一定程度上能确保主体结构在地震的影响下不倒塌，但却不能确保主体结构不受破坏，而且这种建筑主体结构震后修复难度特别大，有的甚至无法修复。因此，要使高层建筑在大地震的作用下造成的破坏降到最低，必须从以下几点通过结构震动控制的角度来建立高层建筑的减震、抗震概念设计。 （一）充分利用冗余结构进行减震 冗余结构在一般的荷载的作用下是不参与结构的工作的，只有地震的强度达到一定的程度时，冗余结构才会发挥它吸收地震能量的作用，从而确保高层建筑结构的安全。比如在框架结构中，可以设一些冗余
6、的短柱，利用短柱来保护主体结构。 （二）合理布局吸能器 吸能器靠自身吸收能量来保护建筑主体结构，使结构震动转移从而达到控制结构震动的目的。吸能器一般设置在梁端、抗震缝等节点或链接处，由于吸能器是一种非结构构件，比较容易修复、更换，这不会对高层建筑主体结构造成影响。另外，吸能器是允许弹性变形的，在一般的小地震荷载作用下，吸能器还处于一种刚性的状态，但是发生大地震时，随着结构受力与变形的增加，吸能器将进入弹性状态，能产生较大的弹性，吸收大量的地震能量，从而达到保护高层建筑物主体结构的目的。吸能器结构多样，其主要材料有钢材、钢纤维化混凝土等，样式有摩擦器、支持吸能器，还有粘弹性阻尼减震器等。 （三）
7、在高层建筑主体非承重构件中设置耗能材料 为了尽可能地消耗地震能量，进一步保护高层建筑主体结构，应该在高层建筑结构主体非承重构件中设置耗能材料。比如在高层建筑框架结构的充填墙中设置 X 型耗能材料，这样，在地震发生时，耗能材料就能最大限度地发挥出它的作用。 （四）选择合理的结构布置方案 在抗震结构概念设计过程中，应该特别重视结构布置，选择合理的结构布置方案。从结构震动控制的角度来看，结构的平面设置应该简单明了，但也能在复杂的结构中起作用。另外，不要排除抗震缝的使用，抗震缝可以把高层建筑的整天结构划分为很多个子结构，我们可以通过给这些子结构施加相应的侧向约束，并利用设置在抗震缝中的吸能器吸收这些子
8、结构的能量，使整个建筑物的结构联合起来，形成一个震动控制体系，有吸能器为建筑结构提供水平控制，在很大程度上降低了结构的振幅。从而对高层建筑起到保护作用。 （五）合理采用基础隔震技术和质量调频减振技术 在高层建筑的上部结构与基础之间设一些隔震装置，这些隔震器与吸能器共同起作用，因此，隔震器要求有足够的刚度来满足正常的使用要求，在地震发生的时候，能使吸能器进入吸能状态。隔振器能使结构与基础面形成柔性滑动，从而使建筑结构的自振周期加大，这就使得地面震动与建筑物隔开(如图 1.芦山县人民医院新门诊综合楼采用的隔振技术示意图)。一般情况下，多层钢筋混凝土结构的高层建筑比较适合用隔震器，而对于高层钢建筑则
9、不适合。另外，隔震器对场地土与震动波的特性也是有要求的，必须充分了解建筑物及周边环境情况才可以选用。质量调频减振技术司通过增加结构的质量，来降低结构的自振频率，进而增大阻尼，降低结构的反映。比如在结构的上部设置质量块，一般设置水池，用它产生的惯性来减振。 图 1.芦山县人民医院心门诊综合楼采用隔震技术示意图 （六）适当采用主动控制技术 我们知道主动控制技术的成本特别高，但减震效果比较明显，因此，在经济条件允许的情况下，利用液压系统来对结构施加控制作用，或者是利用气体脉动发生器对建筑的结构顶部施加短时间的控制。但是，主动控制还没有得到广泛应用。 结语： 随着经济的高速发展，高层建筑也越来越多，高层建筑的结构震动控制也随之得到发展。通过不断的实践和理论研究，对主动控制、被动控制和混合控制进行理论和实验分析表明，隔震系统和主动控制系统的相结合的联合应用会是目前研究的热点，也是今后高层建筑结构震动控制的应用方向。 参考文献： 1 蒋长江,柳玉良.中国高层建筑抗震设计方法及前景展望J. 科技传播. 2010(18) 2 薛尚铃,徐革.重庆金融城南区工程结构设计J. 钢铁技术. 1997(06) 作者简介：姓名:张建新性别:男出生年月:1980.9籍贯:山西灵石研究方向:建筑结构抗震、建筑施工职称:讲师 学历：硕士研究生
