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摘要: 本文主要探讨了建筑结构控制与减震设计的一些实用的方法,研究结构的动力优化设计,结合具体情况选择组合方式进行结构控制与减震设计，以供同仁指导与参考。
关键词: 建筑结构； 减震设计, 结构控制理论
Pick to: this article mainly discusses the construction control and shock absorption design of some practical methods, the research of structure dynamics optimization design, combined with the specific circumstances choose combination structure control and shock absorption design in the form of guidance and reference for colleagues.
Key words: building structure; Suspension design, structure control theory
中图分类号：TU318 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）04-0000-00
1 建筑结构控制设计概述
理论和试验研究及震害实践表明, 如果要求建筑 结构在遭受地震作用时不破坏或不倒塌, 至少应具备下列两个条件之一: 结构的主要部位有足够的强度储备;结构的主要部位对地震作用下的强迫变形有充分的适应能力。如单纯满足前者, 往往需要耗用过多的材料,且若遭受强烈地震作用,结构仍可能破坏或倒塌。
从而提出抗震结构按两阶段设计,即在弹性阶段按强度控制, 在弹塑性阶段按变形控制,这样设计的结构, 既有一定的强度,又具有较大的延性及耗能能力, 能一定程度地适应强烈地震使结构产生的强迫变形。
1.1 机构控制
在分析框架和抗震墙结构倒塌模式的基础上, 提出对破坏机构进行控制 , 使之发生期望的破坏机构形式, 达到既具有足够强度, 又具有足够延性的目的。实现途径是在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰 ,对塑性程度及区域进行控制, 使得结构在强震时能形成最佳耗能机构。
1.2 梁的延性设计
当连梁的跨高比为5时, 延性和耗能很好, 连梁两端相对竖向位移的延性系数都在8以上, 滞回曲线也相当饱满。当连梁的跨高比降至1时, 延性系数 则降至3左右, 滞回曲线严重捏扰, 耗能很小, 最后弯剪破坏。抗震墙的刚性连梁, 其跨高比往往仅为1左右, 若要使其工作在弹塑性阶段作耗 能构件 ,则需要对它的構造采取一定措施, 以适应延性和耗 能的要求。措施之一是在 1/ 2 梁高的中性面上留一水平通缝, 在缝的上下两侧各埋置钢板, 钢 板上开有椭 圆形螺栓孔, 用高强螺栓把两钢板联结。在竖载、风载和小震下, 高强螺栓 把水平通缝分 开的两部分连梁联结成 整体工作, 使刚性连 梁整 体刚度不变, 以保证其工作在弹性阶段; 在强烈地震作用下, 两钢板发生相对滑动, 原来跨高比为 1的刚性 连梁将被分成 两根跨 高比为2的小梁协同工作。这样, 不仅延性系数由原来3提高为10左右, 而且由于钢板间的滑动摩擦, 使其耗能能力也得到了一定程度的改善。
1.3柱的延性设计
虽然不希望塑性铰发生在柱上, 但是它们仍需具有一定的延性和耗能能力, 才能保证大震时不倒。试验表明, 采用螺旋箍筋能较大程度地提高柱的延性和后期抗轴压能力。
综上所述, 结构本身的延性耗能设计是靠提高构件的延性耗能能力来实现的。延性耗能设计只能从建筑材料的配置数量和构造方式来实现, 能提高结构的抗震能力。
2建筑结构的减震设计
结构的减震设计方法很多, 其基本思想是通过设计主动或被动的结构特殊体系, 使得结构在强震时所受到的实际地震作用较小。
因此, 这样设计的结构强度和变形能力无需像弹性法及延性耗能设计要求的那么高。因此，结构的减震技术有极广阔的发展前景。
2.1吸震设计
这种方法主要是在主体结构上安装有特殊的附加结构, 在地震时通过吸震器的运动吸取较大量的振动能量, 从而减轻主体结构的振动效应。其方法是在筒中筒结构楼板与内筒壁处设置分缝,内外筒组成动接触体系,通过振动 时两部分的微碰撞而互相吸能,降低整个结构的地震反应。
2.2 阻震设计
在结构的一些连接处或一些构件上装上一定数量的阻尼器,通过这些阻尼器的较大阻尼力去减少结构的振动响应。如果阻尼器的性能可靠, 则结构的减震效果是稳定可靠的。主要方案有:
在高层框架核心筒体的连接处采用弹簧钢杆摩擦减震器和砂质减震器;
在结构的抗震缝、伸缩缝或沉降缝处放置扭转梁阻尼 器或挤压铅阻尼器;
耗能横缝填充墙: 主要是在填充 墙上设置耗能横缝。这类墙的左右与框架柱脱开,下部与框架固接, 上部由水平耗能缝通过耗能器与框架相连。
2.3 隔震设计
这是目前在我国研究得最多的设计方法。它的基本原理 是在地震 激励的传递路线上设置隔震层, 使通过隔震层传到结构上的地震作用减少到一定程度。
这种设计通常伴随有阻震设计的特点, 这是因为隔震层同时设有特殊阻尼材料的缘故。
3结构的动力优化设计
结构控制与减震设计的方法在具体实施时都会存在一个优化设计问题, 如吸震器和阻尼器的参数、位置的优化； 人工塑性铰的位置、 数量及次序的优化；隔震体 系的 相对滑 移量 与隔 震效果之间的优化等。下面以框架抗震墙结 构为例,介绍结构的动力优化设计。
机构控制理论要求: 对框架结构,在中震时塑性铰仅出现在梁两端,在大 震时才在柱根部出现 塑性铰, 以形成梁式侧移机构 ,在任何情况下节点始终处于弹性状态。对于抗震墙结构,在中震时塑性铰仅出现在连系梁两端, 在大震时才在墙体根部出现塑性铰。
根据实际震害和试验 研究中墙体先于框 架破坏的规律, 通过优化分 析得知, 框架 ) 抗震墙结构的 最佳耗能 机构为: 在中震时，塑性铰仅依次出现 在连 系梁两端、墙体根部及框架梁两端,在大震时才在框架柱根部出现塑性铰。
调整框架与抗震墙的 侧移刚度比、框架梁与柱及连 系梁与墙体的强度比、 柱 轴压比等参数, 并保证梁端、柱端和墙体 根部不发生剪切破坏( 或滑移 ) , 即可 控制 连系 梁、框架梁、柱、 墙体的 开裂和屈服顺序, 从而达到控制整个框架) 剪力墙的工作状态。其中, 对带刚梁( 在1 /2梁 高处 设有 水平 缝) 的双 肢抗 震墙 ,通过优 化分析得 知, 刚性 连梁 的 最佳 位置 约 在抗 震 墙总 高度 的1/2处, 刚性连梁的弯曲刚度宜等于普通连梁弯曲刚度的 100 倍左右。
如此设计的抗 震墙, 在弹性阶段, 整体性增强,侧向变形减小, 比普通联 肢抗震墙具有更强的 抗侧向力能力; 在弹塑性阶段 ,刚性连 梁将被分成两根 1/ 2 跨高比的小 梁协同 工作, 抗震墙 侧向刚度减小, 延性和耗能能力增加。
调整刚性连梁 的位 置、 弯曲刚 度和 配筋率等参数, 可控制普通连梁 和刚性连梁的内力及梁端开裂和屈 服顺序, 从而达 到控制整个剪力墙的工作状态。
结 语
总而言之，结构控制与减震设计 的各种方法各有优 缺点, 必须 结合具体情况选择其中几种进行优化组合。另外, 如 何结 合 正常 使用 荷载、风载和小震状态以及大震不倒的标准合 理选取 隔震 器参数 ,还尚待解决。
参考文献
[1]陈海卫;;振动控制技术的发展及存在问题的探讨[J];福建建设科技;2010年01期
[2]刘鸣;结构振动控制的应用及若干问题[J];长安大学学报(建筑与环境科学版);2003年04期
[3]许海龙;;建筑结构振动控制概述[J];山西建筑;2009年09期
[4]李宏男,阎石;中国结构控制的研究与应用[J];地震工程与工程振动;1999年01期
关键词: 建筑结构； 减震设计, 结构控制理论
Pick to: this article mainly discusses the construction control and shock absorption design of some practical methods, the research of structure dynamics optimization design, combined with the specific circumstances choose combination structure control and shock absorption design in the form of guidance and reference for colleagues.
Key words: building structure; Suspension design, structure control theory
中图分类号：TU318 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）04-0000-00
1 建筑结构控制设计概述
理论和试验研究及震害实践表明, 如果要求建筑 结构在遭受地震作用时不破坏或不倒塌, 至少应具备下列两个条件之一: 结构的主要部位有足够的强度储备;结构的主要部位对地震作用下的强迫变形有充分的适应能力。如单纯满足前者, 往往需要耗用过多的材料,且若遭受强烈地震作用,结构仍可能破坏或倒塌。
从而提出抗震结构按两阶段设计,即在弹性阶段按强度控制, 在弹塑性阶段按变形控制,这样设计的结构, 既有一定的强度,又具有较大的延性及耗能能力, 能一定程度地适应强烈地震使结构产生的强迫变形。
1.1 机构控制
在分析框架和抗震墙结构倒塌模式的基础上, 提出对破坏机构进行控制 , 使之发生期望的破坏机构形式, 达到既具有足够强度, 又具有足够延性的目的。实现途径是在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰 ,对塑性程度及区域进行控制, 使得结构在强震时能形成最佳耗能机构。
1.2 梁的延性设计
当连梁的跨高比为5时, 延性和耗能很好, 连梁两端相对竖向位移的延性系数都在8以上, 滞回曲线也相当饱满。当连梁的跨高比降至1时, 延性系数 则降至3左右, 滞回曲线严重捏扰, 耗能很小, 最后弯剪破坏。抗震墙的刚性连梁, 其跨高比往往仅为1左右, 若要使其工作在弹塑性阶段作耗 能构件 ,则需要对它的構造采取一定措施, 以适应延性和耗 能的要求。措施之一是在 1/ 2 梁高的中性面上留一水平通缝, 在缝的上下两侧各埋置钢板, 钢 板上开有椭 圆形螺栓孔, 用高强螺栓把两钢板联结。在竖载、风载和小震下, 高强螺栓 把水平通缝分 开的两部分连梁联结成 整体工作, 使刚性连 梁整 体刚度不变, 以保证其工作在弹性阶段; 在强烈地震作用下, 两钢板发生相对滑动, 原来跨高比为 1的刚性 连梁将被分成 两根跨 高比为2的小梁协同工作。这样, 不仅延性系数由原来3提高为10左右, 而且由于钢板间的滑动摩擦, 使其耗能能力也得到了一定程度的改善。
1.3柱的延性设计
虽然不希望塑性铰发生在柱上, 但是它们仍需具有一定的延性和耗能能力, 才能保证大震时不倒。试验表明, 采用螺旋箍筋能较大程度地提高柱的延性和后期抗轴压能力。
综上所述, 结构本身的延性耗能设计是靠提高构件的延性耗能能力来实现的。延性耗能设计只能从建筑材料的配置数量和构造方式来实现, 能提高结构的抗震能力。
2建筑结构的减震设计
结构的减震设计方法很多, 其基本思想是通过设计主动或被动的结构特殊体系, 使得结构在强震时所受到的实际地震作用较小。
因此, 这样设计的结构强度和变形能力无需像弹性法及延性耗能设计要求的那么高。因此，结构的减震技术有极广阔的发展前景。
2.1吸震设计
这种方法主要是在主体结构上安装有特殊的附加结构, 在地震时通过吸震器的运动吸取较大量的振动能量, 从而减轻主体结构的振动效应。其方法是在筒中筒结构楼板与内筒壁处设置分缝,内外筒组成动接触体系,通过振动 时两部分的微碰撞而互相吸能,降低整个结构的地震反应。
2.2 阻震设计
在结构的一些连接处或一些构件上装上一定数量的阻尼器,通过这些阻尼器的较大阻尼力去减少结构的振动响应。如果阻尼器的性能可靠, 则结构的减震效果是稳定可靠的。主要方案有:
在高层框架核心筒体的连接处采用弹簧钢杆摩擦减震器和砂质减震器;
在结构的抗震缝、伸缩缝或沉降缝处放置扭转梁阻尼 器或挤压铅阻尼器;
耗能横缝填充墙: 主要是在填充 墙上设置耗能横缝。这类墙的左右与框架柱脱开,下部与框架固接, 上部由水平耗能缝通过耗能器与框架相连。
2.3 隔震设计
这是目前在我国研究得最多的设计方法。它的基本原理 是在地震 激励的传递路线上设置隔震层, 使通过隔震层传到结构上的地震作用减少到一定程度。
这种设计通常伴随有阻震设计的特点, 这是因为隔震层同时设有特殊阻尼材料的缘故。
3结构的动力优化设计
结构控制与减震设计的方法在具体实施时都会存在一个优化设计问题, 如吸震器和阻尼器的参数、位置的优化； 人工塑性铰的位置、 数量及次序的优化；隔震体 系的 相对滑 移量 与隔 震效果之间的优化等。下面以框架抗震墙结 构为例,介绍结构的动力优化设计。
机构控制理论要求: 对框架结构,在中震时塑性铰仅出现在梁两端,在大 震时才在柱根部出现 塑性铰, 以形成梁式侧移机构 ,在任何情况下节点始终处于弹性状态。对于抗震墙结构,在中震时塑性铰仅出现在连系梁两端, 在大震时才在墙体根部出现塑性铰。
根据实际震害和试验 研究中墙体先于框 架破坏的规律, 通过优化分 析得知, 框架 ) 抗震墙结构的 最佳耗能 机构为: 在中震时，塑性铰仅依次出现 在连 系梁两端、墙体根部及框架梁两端,在大震时才在框架柱根部出现塑性铰。
调整框架与抗震墙的 侧移刚度比、框架梁与柱及连 系梁与墙体的强度比、 柱 轴压比等参数, 并保证梁端、柱端和墙体 根部不发生剪切破坏( 或滑移 ) , 即可 控制 连系 梁、框架梁、柱、 墙体的 开裂和屈服顺序, 从而达到控制整个框架) 剪力墙的工作状态。其中, 对带刚梁( 在1 /2梁 高处 设有 水平 缝) 的双 肢抗 震墙 ,通过优 化分析得 知, 刚性 连梁 的 最佳 位置 约 在抗 震 墙总 高度 的1/2处, 刚性连梁的弯曲刚度宜等于普通连梁弯曲刚度的 100 倍左右。
如此设计的抗 震墙, 在弹性阶段, 整体性增强,侧向变形减小, 比普通联 肢抗震墙具有更强的 抗侧向力能力; 在弹塑性阶段 ,刚性连 梁将被分成两根 1/ 2 跨高比的小 梁协同 工作, 抗震墙 侧向刚度减小, 延性和耗能能力增加。
调整刚性连梁 的位 置、 弯曲刚 度和 配筋率等参数, 可控制普通连梁 和刚性连梁的内力及梁端开裂和屈 服顺序, 从而达 到控制整个剪力墙的工作状态。
结 语
总而言之，结构控制与减震设计 的各种方法各有优 缺点, 必须 结合具体情况选择其中几种进行优化组合。另外, 如 何结 合 正常 使用 荷载、风载和小震状态以及大震不倒的标准合 理选取 隔震 器参数 ,还尚待解决。
参考文献
[1]陈海卫;;振动控制技术的发展及存在问题的探讨[J];福建建设科技;2010年01期
[2]刘鸣;结构振动控制的应用及若干问题[J];长安大学学报(建筑与环境科学版);2003年04期
[3]许海龙;;建筑结构振动控制概述[J];山西建筑;2009年09期
[4]李宏男,阎石;中国结构控制的研究与应用[J];地震工程与工程振动;1999年01期