关于抗震论文

结构抗震与减震控制

（土研1602 代彦辉 662085213084）

地震是地壳板块构造急剧运动的一种表现形式，是一种破坏性较大的自然现象，大地震往往对人类社会造成难以抵御的冲击，给经济建设和人民生命财产带来严重危害。在人口稠密、工业发达的城市，地震破坏尤为强烈。大地震会给人类社会造成巨大的损失，如何避免和减轻地震灾害，是当前社会和经济发展中必须首先考虑的问题之一，尤其对城市震害的预防及其对策更具有特别重要意义。

地震按照成因可分为构造地震、火山地震和陷落地震等类型。地震本身大小的等级用震级表示，它与震源释放出来的能量多少有关。能量越大，震级就越大；震级相差一级，能量相差约30倍。地震在地球内部传播的地震波分为纵波和横波。方向与传播方向一致的波为纵波（P波）。来自地下的纵波引起地面上下颠簸振动。振动方向与传播方向垂直的波为横波（S波）。来自地下的横波能引起地面的水平晃动。横波是造成破坏的主要原因。地震对某一地区的影响和破坏程度称地震烈度，简称为烈度。一般而言，震级越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低。烈度除了震级、震中距外，还与震源深度、地质构造和地基条件等因素有关。我国地处环太平洋板块与欧亚板块之间，属于地震比较活跃的地区，因此如何做好结构抗震和减震控制在土木工程领域具有重要的意义。

我国抗震设计规范将抗震设计目标分为三个阶段，即当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不损坏或不需要修理可继续使用。当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需要修理仍可继续使用。当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。抗震的计算理论经历了静力理论阶段、反应谱理论阶段、动力理论阶段，计算方法有底部剪力法、阵型分解反应谱法、时程分析法及静力弹塑性分析法等。结构设计方法也经历了刚性结构体系、柔性结构体系、延性结构体系和结构振动控制过程的演变，抗震方法更加成熟主要有结构自控、隔振控制、消能减振、主动控制。

传统的抗震结构主要是靠结构本身构件抵抗地震作用，设计思想实在满足强度、刚度要求的前提下，要求结构具有良好的延性，即延性设计的思路。通过控制柱的剪跨比、轴压比，剪力墙的抗剪强度，来满足抗震需求。

隔震是指在建筑物基础与上部结构之间设置隔震层，隔离地震能量向上部结构传递，减少输入到上部结构的地震能量，降低上部结构的地震反应，达到预期的防震要求。主要应用于高烈度地区，对结构振动有特殊要求的房屋和严重影响灾后抗震救灾的建筑物中。隔震层常由隔震支座、消能元件和抗风装置等组成，通常设置在建筑物基础顶面，也可设置在建筑物中下部或顶部。隔震类型主要有叠层橡胶支座隔震、滑移隔震、混合隔震，叠层橡胶支座隔震主要是利用天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座配合其他抗风装置和阻尼装置形成隔震体系，滑移隔震主要是通过钢摩擦滑板、石墨、聚四氟乙烯板、弹性滑移支座、直线轨道式滑移支座、摩擦摆支座配合其他抗风装置和阻尼装置形成隔震体系，混合隔震是叠层橡胶支座隔震和滑移隔震结合使用，是高层建筑隔震的主流技术。在进行隔震设计时应根据预期的水平向减震系数和位移控制要求，选择适当的隔震支座及为抵抗风荷载提供初始刚度的消能（限位）部件，隔震支座与消能减震部件组成隔震层。隔震支座应进行竖向承载力的验算和罕遇地震下水平位移的验算。隔震层宜设置在结构第一层以下的部位，其橡胶隔震支座应设置在受力较大的位置，间距不宜过大，其规格、数量和分布应根据竖向承载力、侧向刚度和阻尼的要求通过计算确定。隔震层在罕遇地震下应保持稳定，不宜出现不可恢复的变形。隔震层橡胶支座在罕遇地震作用下，不宜出现拉应力。隔震层以上结构的水平地震作用应根据水平向减震系数确定，其竖向地震作用标准值，8度和9度时分别不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20％和40％。隔震层以上结构应采取不阻碍隔震层在罕遇地震下发生大变形的措施。隔震层与上部结构的连接，顶部应设置梁板式楼盖，且应符合下列要求应采用现浇或装配整体式混凝土板。现浇板厚度不宜小于140mm；配筋现浇面层厚度不应小于50mm。隔震支座上方的纵、横梁应采用现浇钢筋混凝土结构隔震层顶部梁板的刚度和承载力，宜大于一般楼面梁板的刚度和承载力。隔震支座附近的梁、柱应计算冲切和局部承压，加密箍筋并根据需要配置网状钢筋。隔震技术充分延长了结构的自振周期，伴随着大直径隔震支座的生产能力的提高，高层隔震的应用会越来越广。

消能减震技术是在结构中附加消能装置，给结构增加阻尼，通过消能装置消耗地震输入上部结构的大部分地震能量，从而减少上部结构的地震反应。是一种主动的、科学的和经济的设计方法。消能的措施有通过能量消散机构和附加重量机构等形式。能量消散机构主要是通过摩擦型、粘弹型构件消耗地震能量，附加重量机构主要是通过TMD、TLD等构件调整结构的频率实现。TMD子结构的质量

主要是固体质量，它在调频减震过程中，发挥类似阻尼器的消能减震作用，故把子结构称为“调频质量阻尼器”。子结构可支承在结构上，也可悬吊在结构上。TLD子结构的质量主要是储存在某种容器中的液体质量，调频减震作用是通过容器中液体振荡产生的动压力和粘性阻尼耗能来实现的，类似阻尼器的消振作用，这种子结构称为“调频液体阻尼器”。TMD、TLD能有效衰减结构的振动反应，范围比较广泛，既能用于地震减震，也能用于风、海浪、机器振动或环境振动等各种振动冲击或振动干扰的减振，并且采用外加子结构进行动力调频，无须对主结构采取传统的加强措施(加大断面、加多配筋、加强刚度、加设构件等)，这对旧有结构的减震改良是特别有意义的。但是在进行TMD、TLD消能减震设计时应考虑多个振型的结构减震控制，可考虑适当增大子结构的阻尼或装设多个子结构。对于一个子结构，其调频目标是控制主结构的某阶振型。如果主结构有多阶振型，则子结构对那些比被控制振型较高的振型仍有减震作用，而对那些比被控制振型较低阶的振型，有时有减振作用，有时却是增振放大作用，所以对于某个子结构而言，应该尽量以控制主结构的低阶振型为目标，即基本振型或某低阶振型。因此，对于某个子结构而言，应该尽量以控制主结构的低阶振型为目标，即基本振型或某低阶振型。

结构主动控制是利用外部能源(计算机控制系统或智能材料)，在结构物受激励振动过程中，瞬时施加控制力或瞬时改变结构的动力特性，以迅速衰减和控制结构震动反应的一种减震技术。按照主动控制的利用程度可分为主动控制、半主动控制、混合控制等类型。按控制手段分为施加外力控制型、改变结构参数型、智能材料自控型等类型。由于主动控制力的施加，改变了结构体系的阻尼、刚度和激励荷载。如果选用合型的控制算法，确定最优的控制力，则可以达到衰减和控制结构地震反应的目的。这就是结构主动控制体系减震控制的基本机理。主动控制算法是以控制理论为基础而建立的。国内外学者经过多年的研究，已提出多种算法，主要有：经典线性最优控制（Yang，1975）、瞬时最优控制（ Yang，1992 ）、改进瞬时最优控制(阎维明、周福霖、谭乎，1996)、模态控制(Martin and Soong，1976)等，并且还在不断发展。此种方法减震效果好、适应性广、经济性好的特点，但同时也面临着减震的有效性、控制系统工作的稳定性、时滞问题、能量输入问题、经济性问题、系统装置的日常维护问题等问题。虽然主功控制系统存在上述多种尚待解决的问题，但出了主动控制本质上的优越性，代表着结构减震技术未来的发展方向。各国学者正在人力研究和解决存在的问题，并逐

步把该项技术推向更成熟的应用阶段。

在查阅有关资料文献后发现近几年基于性能的抗震设计作为地震工程发展的一种趋势,其基本思想将逐渐进入设计标准并应用于实际工程的设计。结构的抗震性能评估与基于位移的抗震设计是基于性能的抗震设计理论研究的重要内容,也是当前的研究热点。尽管近年来这些领域的研究已经取得了一些成果与进展,但仍然存在一些问题，一是结构的地震反应取决于输入地震动以及结构自身的特性,但二者都是不确定性的,因此对结构抗震性能的评估只能是一概率的评估。结构自身的随机性相对于地震动的随机性无疑要小得多,这样结构的地震反应分析可归属为非线性随机振动分析的范畴。尽管随机振动理论发展迅速,但目前仍然不能提供一种便于工程应用的非线性结构随机地震反应分析方法。二是基于位移的抗震设计总的来说还处于概念性的讨论阶段,没有形成一个系统,离实际应用和形成抗震设计规范还有较大的距离。