地震灾害与减震控制

2020-03-02

技术与市场 2020年1期

(华北水利水电大学，河南郑州 450045)

0 引言

人类面临的重大自然灾害地震，往往由于它的随机性和突发性，导致难以预测其发生地点及时间，从而造成灾难性的后果。结构的抗震性能对于结构的安全性以及突发情况下结构的承载力起着至关重要作用。而结构抗震的设计基础则是结构的抗震分析理论和结构减震控制方法。

1 结构抗震分析理论

1.1 抗震设防的目标及标准

抗震设防目标的设定是针对于建筑物的结构而言的，即根据当前社会、科技与经济发展状况，当结构遇到不同等级的地震灾害发生时，保护人们的生命安全，降低财产损失，并尽可能地减少对结构的破坏。规范也有条文做出了规定，当建筑物所处的地域环境在抗震设防烈度上达到6度或者更高水平，一定要有抗震层面的相关设计。这个规定就表明建筑物结构处于正常使用状态条件下，当遭遇到不同等级的地震灾害发生时需要具备相应地抵抗地震的能力。一般情况下，如果地震发生的频率较高且等级相对较低，就被称作多遇地震，对于这种情况要保证建筑的主体结构基本不被破坏，从当下科技与经济发展水平的现状上看，比较容易实现；如果地震发生的频率较低且等级较高，对于这种破坏等级较强的地震，还要求达到建筑的主体结构不被破坏的目标，在科技与经济层面上分析就显得不合理了；然而如果可以允许结构存在一些破坏但不至于倒塌，这样既能满足人们安全性的需求，又能兼顾到经济利益，一举两得。所以，我国出台的《建筑抗震设计规范》中以上述原则为基础，与抗震目标、烈度对应起来，从而得到了抗震设防的三个水准和两个阶段[1]。

将三个水准简单总结为：小震不坏、中震可修和大震不倒。简述两阶段设计的内容为：

1)将地震、其他荷载作用后的效应进行组合，从而验算建筑物结构中的构件在遭遇多遇地震烈度下的承载能力，进而确保其能达到第一水准的弹性变形、强度方面的要求。

2)当遭遇到罕遇地震时，通过验算结构的弹塑性变形，从而确保其能达到第三水准的抗震设防要求。

1.2 抗震设计的基本方法

当地震灾害出现时，相应地会产生地震作用，该作用首先引起的是地面发生运动，然后才导致建筑物自身的结构也一起运动。这种荷载并不是直接施加在建筑物自身的结构上面，而是伴随着这个期间所出现的一种惯性力。地面运动不止停留在单一方向上，针对对其分解，不仅能够在竖直方向得到一个运动分量，还能够得到转动分量，在水平方向会得到两个分量，并且这两者是互相垂直的。地震灾害一般是突然性，尽管作用时间较短，但是这中间会伴随着巨大能量的释放。因此，当具体到抗震的相应计算过程里，特别是面对建筑物中的结构时，一定要注意在选取相关理论以及计算的有关方法的时候，不仅要追求计算模型简化，还要考虑到与地震灾害发生时所具备的特点相吻合。因为建筑物所在的场地以及自身结构的类型还有建筑高度等方面的不同，所以需要依据具体的工程案例来选取计算地震作用的简化方法或者会更为简单、准确的方法，可想而知，计算方法愈发简单、准确，与之对应的工作量就会增加。就现在来说，在针对建筑结构的抗震设计角度上，普遍的用来进行计算的方法主要有：底部剪力法、反应谱法和时程分析法[2]。

2 结构抗震与减震控制方法

抗震设计中的主要思路就是如何增强结构抵御地震的能力。结构的抗震设计方法有很多，其广泛应用的根本原理是增加结构的自身强度、增大结构的变形能力，从而提升对地震作用的抵抗能力。由于增强这两方面的抗性，地震的能量能较多地从地面传递到结构中去。在以往的结构设计中，塑性铰的应用极大降低了结构整体坍塌的风险，并有效确保了结构的整体性，但仍会出现结构构件的损伤，造成安全性隐患。现有消减结构地震反应的方法主要采用隔震法、耗能法、施加外力法、调整结构动力特性法等确保结构本身的整体性以保证结构的安全。相比传统的结构抗震设计，这些方法更为可靠，更为经济，更加有效，适用范围也更加广泛。结构抗震与减震是土木工程、结构工程防灾减灾最有效的方法之一，目前按控制形式划分可划分成被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制4种方法。

2.1 被动控制

被动控制的核心是通过减震或隔震装置去消耗地震产生的能量，同时对振动在结构中的传播也有一定的抑制。被动控制构造简单，易于维护，经济性高，无需外界能源支持。是目前应用最广泛的减震方法。被动控制主要包括基础隔震、耗能减震和调谐减震。

2.1.1 基础隔振

通过在建筑物底部设置控制机构隔离地震能量的传输称为基础隔震。通过隔震装置可以使结构振动减轻，避免上部建筑物遭到地震的破坏。隔震装置的材料必须具有较大的变形能力，有较大的阻尼提供耗能能力，并且有足够的初始刚度和强度[3]。

2.1.2 耗能减震

耗能减震技术是把结构物中的某些构件设计成耗能部件，或者是在结构物的某些部位增加上阻尼器。耗能杆件和阻尼在日常使用时处于弹性状态。但在强烈地震作用时，地震波的能量传入结构中，耗能杆件和阻尼大量消耗地震产生的能量，进入非弹性状态，从而确保主体结构不进入明显的非弹性状态，保护主体结构不被破坏[4，5]。按照耗能装置的不同，耗能减震体系可分为两类:耗能构件减震体系和阻尼器耗能减震体系[6]。

2.1.3 调谐减震

调谐减震技术利用在主体结构中增加能使结构振动发生偏移的子结构，重新分配原结构和子结构所受到的地震能量，使原结构所受到的振动有所降低，从而达到消能减震的目的。目前常见的调谐减震装置可分为调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、调谐液柱式阻尼器、摆式质量阻尼器、质量泵、液压-质量控制系统、悬挂结构体系等。

2.2 主动控制

结构主动控制顾名思义是在结构遭受地震荷载时才会触发的消能减震控制方法。主要控制系统大多由传感器、控制器和作动器三个部分组成。主动控制方法在地震来临时利用外部能源，对结构施加控制力，达到迅速减小结构振动的效果。其工作原理为:传感器监测结构的动力响应和外部激励，将监测的信息传入计算机内，计算机根据给定的算法计算出控制力的大小，最后由外部能源驱动作动器产生所需的控制力而施加于结构上。[7]主动控制可以根据地震波调节控制力的大小，因此控制效果基本不依赖于地震波的特性，这方面明显优于被动控制。

2.3 半主动控制

半主动控制同样需要外部激励信息给出控制信号，与主动控制不同的是，它需要的外部能量较少。通过对外部振动的监测提供给制动器，使制动器进行少量调节并利用结构振动的往复相对变形或速度，尽可能实现主动最优控制力，是参数控制的一种。半主动控制兼具主动控制优良的控制效果和被动控制简单易行的优点，同时克服了主动控制需要大量能量供给和被动控制调谐范围窄的缺点，因此半主动控制具有较大的研究和应用开发价值，是当前的研究热点。

2.4 混合控制

混合控制是将主动控制和被动控制同时施加在同一结构上的结构减震控制形式。根据所起作用的相对大小来看，可分为主从组合方式和并列组合方式，前者是以某一控制为主控制部件，其他部件通过主要部件对结构进行控制。后者是两种控制各自独立工作而对结构进行控制。近年研究较多的是以被动控制为主，主动控制为辅的主从组合方式。混合控制将主动控制与被动控制联合应用，可以充分发挥两种控制系统的优点，克服各自的缺点，只需很小的能量输入即可得到很好的控制效果。被动控制由于引入主动控制，其控制效果和调谐范围有了极大的增强；另一方面，主动控制由于被动控制的参与，所需的控制力大大减小，抗震系统的稳定性和可靠性都比单纯的主动控制有所增强。