建筑结构的隔震、减振和振动控制

（东方众联（北京）建筑设计研究院有限公司北京100029）

摘 要：随着人们生活水平的提高,对建筑的适用性、安全性以及耐久性等方面的要求越来越高,再加上近几年来国内地震频发,让人们对建筑结构的隔震、减振以及振动控制提出更高的要求.本文主要针对建筑结构的隔震、消能减振以及振动控制技术进行全面地分析.

关 键 词：建筑结构；隔震；减振；振动控制

随着人们生活水平的不断进步,人们对建筑的要求越来越高.再加上最近几年国内发生的多起地震、泥石流等自然危害,加强人民的对自然危害的安全意识.建筑结构的减振、隔震以及振动控制在现代化建筑中的应用越来越广泛,并结合工程的实际情况进行方案设计.目前在国内,隔震技术也得到很好的发展,由之前的基础研究发展到今天在工程上的实际应用.

1.建筑结构的隔震与消能减振原理分析

传统的建筑结构主要是通过建筑本身的结构产生变形,从而将地震所带来的能量吸收、消耗.传统的建筑结构在建设的过程中虽然也通过比较严格的设计与施工才完善的,一旦出现大型地震,建筑结构所能承受的冲击力小于地震能量时,建筑就会出现倒塌现象,严重威胁人们的人身与财产安全.因此,人们开始寻找更优化的建筑结构设计来取代传统的建筑结构设计.为了满足人们对建筑安全性的需求,建筑结构的隔震、减振设计逐渐发展起来.

1.1建筑结构的隔震原理

建筑结构的防震体系是通过设置隔震层实现的,这就要建筑结构的设计要分为上部结构、隔震层以及下部结构三个部分.当出现地震时,建筑的下部结构首先将地震能量传送到隔震层,地震能量通过隔震装置的消耗与吸收之后,所能到达建筑上部结构的地震能量就所剩无几.同时,对隔震层的设计往往会对上部结构的周期造成影响,从而减少了地震能量对建筑上部结构的冲击,保证建筑上部结构在遭遇地震时产生弹性,能有效吸收与消耗地震的能量,从而保证人民的人身与财产安全.

1.2耗能减振结构原理

建筑耗能减振体系是通过设置耗能部件而实现的.当出现地震,其能量对建筑结构带来冲击时,建筑耗能减振体系的耗能装置以及耗能部件就会通过弹塑性来回变形,将地震的能量逐步消耗与吸收掉,使建筑结构所受的地震冲击力大幅减少,从而实现建筑的有效减振与控震.

2.建筑结构的振动控制技术

2.1被动控制

建筑结构的被动控制是指不用依赖于外部力量的振动控制技术,主要是在建筑结构中通过子系统的添加来实现,或者是通过对建筑结构自身的改造,提高建筑结构自身的抗震性能.现阶段,被动控制技术在我国的发展逐渐成熟,并广泛应用在实际操作中.被动控制可以分为两大类别,也就是基础隔震和耗能减震.

2.1.1基础隔震

基础隔震技术是指通过在建筑物基底上设置控制机构,使地震的能量无法向上传输,降低地震对结构自身的冲击,避免了地震对建筑所带来的危害.现阶段在国内主要研究的基础隔震技术包括夹层橡胶垫隔震、摩擦滑移隔震、支撑式摆动隔震、滚珠及滚轴隔震与混合隔震等技术.对近几年来的隔震技术仅研究发现,隔震技术的主要特点都包含以下几点：（1）隔震技术被广泛应用在现代建筑中,不仅在新建建筑中得到一致好评,还在旧建筑的加固中得到认可,无疑是对基础隔震技术的认可.（2）隔震建筑设计的形式向多样化发展,从以前主要的砌体结构与钢筋混凝土结构发展到木结构、钢结构,再到今天的组合结构,其技术应用是非常普遍的.（3）隔震技术的出现让人们对隔震装置的选择越来越多,并随着新技术的不断提出,逐渐突出混合隔震技术.

2.1.2耗能减震

耗能减震就是将消能装置安装在建筑结构的空间、层间、节点以及连接缝等位置.一旦出现级数较小的地震或台风,建筑结构自身就会结合各个位置的消能装置共同工作,使建筑结构处于弹性状态,避免受到影响,降低地震对人类的危害.一旦出现级数较大的地震或台风,建筑结构自身的变形增大,并结合消防装置的大阻尼,将大量的地震能量与风振进行吸收与消耗,并通过结构结构将所吸收的能量转换成热能传送出去,可以有效减少地震或台风对建筑的影响,使建筑结构的弹性状态得以保持.通过不断的实践研究发现,耗能减震技术主要具备以下四种优点：（1）安全可靠,通过利用耗能装置对地震能量的大量吸收与消耗,实现对建筑主体结构的保护目的.（2）经济环保.柔性耗能方式的采用,能有效减少剪力墙的数量与减小结构构件的配筋断面.（3）使用合理.利用耗能装置能有效对地震能量技能型吸收与消耗,降低地震能量对建筑结构主体的冲击.（4）使用范围广.无论使工厂厂房、居民建筑还是超高层办公大楼,都社适合应用耗能减震技术.（5）维护费用低.当耗能减震设备安装之后,要定期对其维护,保证它的正常工作,相对于与其他的减震技术,其维护费用较低.

2.2主动控制

与被动控制不同,主动控制是一种必须要借助外力的减震控制技术.通过施加与外界相反方向的控制力,从而实现减震结构的减震控制.主动控制的工作原理是：传感器对建筑结构的动力响应与外部刺激进行检测,并将传感器所收集到的数据输送到计算机系统,通过计算机系统对数据进行分析,运用程序制定的算法进行计算,得出施加力的大小,并驱动外部能源,产生控制系统所需要的力.

2.3半主动控制

利用控制机构对建筑结构所承受的地震参数,利用控制结构进行调节,从而实现减震的目的,这就是半主动控制.半主动控制与被动控制不同,不需要过大外部力量,也不需要强电,只要在弱电的作用下就可以实现.目前,半主动控制一般都使用开关进行控制,利用开关的开闭,使控制系统的工作状态发生改变,从而改变建筑结构的动力特性.

2.4混合控制

混合控制主要是指被动控制与主动控制的结合.通过被动控制与主动控制的结合,利用两者的综合优点,不仅可以利用被动控制吸收与消耗地震的能量,还可以通过主动控制装置实现保证控制的目的,因此,混合控制的工程应用价值最高,在工程建设中的应用最为广泛.

2.5综合分析四种控制技术

在以上介绍的四种控制技术中,被动控制的成本最低,减震效果较好,减震效果的实现容易,是现阶段在工程减震中应用最广、发展最快的控制技术.主动控制的减震效果是四者之中最好的,但建筑结构较大,所需要的外部能源业较多,控制装置的程序算法非常复杂,不易应用,限制它的发展.而半主动控制刚好处于被动控制与主动控制之间,其控制精度较高,造价相对较低,而且对外部动力源的需求不大,使其应用前景较为广阔.由于混合控制综合了被动控制与主动控制的优点,不仅可以利用被动控制吸收与消耗地震的能量,还可以通过主动控制装置实现保证控制的目的,其应用前景非常广阔.

结束语：

综上所述,随着减振、隔震与振动控制技术在建筑结构中的广泛应用,降低了地震等自然灾害对楼层建筑的破坏,使人民的人身、财产安全得到保障.而各种控制系统在设计的过程中,必须要对建筑结构在强震下控制规律进行探索,研究出造价更低、安全可靠性更高、施工稳定以及可行性较强的控制技术,使建筑抵抗地震的强度增加,保障人民的人身与财产安全.

[3]贾红霞,谭术利.浅议建筑结构设计中的隔震减震措施[J].内蒙古石油化工,2013.06（03）：83-84.