建筑工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)研究

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摘要：現(xiàn)代建筑體型日益龐大，高層建筑不斷增多，在建筑行業(yè)飛速發(fā)展的過程中，建筑抗震也成為一大難點。對于建筑結(jié)構(gòu)而言，研究振動控制技術(shù)并應(yīng)用于實踐中具有重要意義，是確保建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)性工作?；趯嵺`研究，本文對振動控制技術(shù)進行研究，僅供參考。

關(guān)鍵詞：建筑工程；振動控制；結(jié)構(gòu)抗震

引言

建筑工程行業(yè)一直保持著良好的發(fā)展勢頭。隨著建筑行業(yè)快速發(fā)展，配套技術(shù)要求也在不斷提高。近些年來，地震災(zāi)害時有發(fā)生，造成極大破壞，引發(fā)人們對結(jié)構(gòu)抗震性能的普遍關(guān)注，相關(guān)專家學(xué)者也投入結(jié)構(gòu)振動控制研究之中，并且取得一定積極成果。加強結(jié)構(gòu)振動控制研究，是提高建筑抗震性能，減少地震危害性的重要工作，應(yīng)保持足夠重視。

1結(jié)構(gòu)振動控制研究現(xiàn)狀

1.1被動控制

此類技術(shù)通過改變結(jié)構(gòu)某些構(gòu)件的實際構(gòu)造或者改變體系動力學(xué)特征、于結(jié)構(gòu)某處加子系統(tǒng)等方式達到減振目標，技術(shù)應(yīng)用無需外部能源支持。通常情況下，被動控制結(jié)構(gòu)相對簡單、整體造價也不高，維護也很方便?；讵毺丶夹g(shù)優(yōu)勢，并且也證實具有一定的抗震性能，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計熱點，在各類工程中有廣泛應(yīng)用。對于被動技術(shù)，根據(jù)當前發(fā)展情況，主要可分為基礎(chǔ)隔振、耗能吸能減振兩類。其中，基礎(chǔ)隔振是設(shè)置隔振消能裝置削減地震向地表傳遞的大量能量以有效降低結(jié)構(gòu)振動，一般在中低層建筑中使用，高層建筑不適用。吸能減振技術(shù)是在結(jié)構(gòu)節(jié)點、支撐處等位置設(shè)耗能阻尼減小結(jié)構(gòu)振動。

1.2主動控制

此類控制技術(shù)需要外部能量供給才能發(fā)揮作用。主動控制相對復(fù)雜，并且在造價上更高，通常也難以進行維護，不過在現(xiàn)代高層建筑工程中，采用主動控制技術(shù)實際振動控制效果更好?，F(xiàn)代主動控制也不斷采用一些尖端技術(shù)，可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)振動的實時追蹤以及對未來振動情況的科學(xué)預(yù)測，有利于進一步完善結(jié)構(gòu)設(shè)計，使抗震性能達到最優(yōu)。細分這一類技術(shù)，有如下兩種：①控制力型：由主動拉索、支撐系統(tǒng)、阻尼系統(tǒng)、擋風(fēng)板系統(tǒng)等組成，遭遇結(jié)構(gòu)振動時借助外部能源對目標建筑結(jié)構(gòu)施加控制力，利用感應(yīng)器將收集的信息輸入計算機后計算，得到所需施加的控制力，再借助外部能源功能施加控制力，減小結(jié)構(gòu)振動。②半主動控制型，采用參數(shù)控制方式，以小功率的能源根據(jù)實際需要調(diào)整結(jié)構(gòu)動力參數(shù)有效降低結(jié)構(gòu)振動。

1.3混合控制

可理解為主動、被動融合控制，這一控制方式設(shè)計上相對繁瑣，必須多次嘗試、磨合，使二者協(xié)同工作，才能發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢。在日本，很多建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了這一方法。在設(shè)計時，為了確保應(yīng)用科學(xué)性，需要調(diào)查現(xiàn)場地震情況，勘查地質(zhì)條件，盡量全面了解相關(guān)信息，進一步優(yōu)化控制系統(tǒng)，才能起到良好的防震抗震作用。雖然是主動、被動技術(shù)的結(jié)合，融合了兩種控制技術(shù)的優(yōu)勢，但造價也明顯上升，國內(nèi)應(yīng)用不多。

2振動控制技術(shù)簡析

2.1地基材料

經(jīng)過實踐研究證實，在工程建設(shè)中，使用不同的地基材料，在遭遇地震時，地震波會產(chǎn)生不同反應(yīng)。所以，研究地基材料對抗震的影響具有重要意義。在工程中，可以針對性使用一些具有抗震性能的材料處理地基，能夠減少震波反應(yīng)，有效減少建筑震感。為提高建筑抗震能力，有使用粘土、砂子開展墊層施工作業(yè)的案例，也有采用糯米制作墊層的相應(yīng)研究。在大量研究論證后，證實瀝青材料具有良好的隔震效果。

2.2基礎(chǔ)隔震

遭遇地震波時，基礎(chǔ)部分首先與地震波接觸，之后將地震波傳遞到建筑主體。做好基礎(chǔ)隔振，是減少地震波對建筑危害性的重要手段。經(jīng)過研究證實，在施工中，設(shè)置基礎(chǔ)隔振、上部結(jié)構(gòu)隔震，底層隔震裝置發(fā)揮的作用更大，基礎(chǔ)隔振對于提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能具有重要意義。

2.3耗能減震

是在結(jié)構(gòu)的層間等位置有計劃的設(shè)置一些消能裝置。假如遭遇的地震等級不高，建筑結(jié)構(gòu)可以借助各處設(shè)置的消能裝置有效維持結(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)，從而降低地震負面影響，控制危害性。假如遭遇較高等級的地震，耗能減震裝置可以增加結(jié)構(gòu)可形變程度，與消能裝置大阻尼協(xié)同作用，削減、吸收大量地震能量，轉(zhuǎn)換為熱能并傳輸?shù)酵饨?，可以明顯降低地震影響。這一技術(shù)有以下優(yōu)勢：①使結(jié)構(gòu)安全性提高，并且耗能減震裝置可靠性高，可以吸收、消耗可觀的地震能量，有效保護主體結(jié)構(gòu)不受損壞；②造價相對較低，具有一定的經(jīng)濟性，也符合當前環(huán)保要求。裝置使用柔性材料，可有效減少工程結(jié)構(gòu)所需設(shè)置的剪力墻數(shù)量，減少配筋斷面；③使用范圍廣。工廠、辦公樓等等均可以應(yīng)用并且可以發(fā)揮出理想效果；④維護成本相對較低。設(shè)置耗能減振裝置，雖然也需要定期做好維護工作才能維持良好性能，但與其他裝置相比，所需要花費的維護費用處于較低水平。

2.4懸掛隔震

這一技術(shù)可以阻斷地震波從地面上傳導(dǎo)到主體結(jié)構(gòu)，有效預(yù)防主體結(jié)構(gòu)因地震受損。其裝置結(jié)構(gòu)幾乎全部質(zhì)量都懸掛于地面上，如果遭遇地震，建筑結(jié)構(gòu)上層分離，出現(xiàn)無慣性力，可以起到良好的隔震效果。這一技術(shù)一般用于鋼結(jié)構(gòu)建筑，在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用更多。隨著技術(shù)發(fā)展，也可分為主框架、子結(jié)構(gòu)兩大部分。一般采用懸掛子結(jié)構(gòu)設(shè)計，此時主框架結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)相互分離。如果發(fā)生地震，地震波沖擊到懸掛位置，能量會明顯下降，難以傳遞到建筑主體，從而減少建筑結(jié)構(gòu)受震后的可能性損失。

3結(jié)構(gòu)振動控制需要解決的問題

現(xiàn)如今對結(jié)構(gòu)振動控制已經(jīng)開展了大量的相關(guān)研究，抗震、減振設(shè)計不斷取得新突破，獲得質(zhì)的飛躍，也有更多的科研工作者對這一領(lǐng)域的研究保持高度關(guān)注。但是科學(xué)研究是一個循序漸進的過程，技術(shù)跨越難以超脫發(fā)展規(guī)律，結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域一些看似光輝的成果很可能也存在一些不成熟之處，很多問題依然需要解決。例如，設(shè)計控制器，需要嘗試進一步簡化建模工程、模型；要探索怎樣進一步降低能耗與整體造價，讓建筑在具有良好性能的基礎(chǔ)上簡化工程；要注意各種外界因素對結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的影響，提高振動控制持久性以及建筑結(jié)構(gòu)安全性；要嘗試結(jié)合其他學(xué)科技術(shù)成果，使結(jié)構(gòu)振動控制邁向智能化。

4案例分析

某市重點建筑，主樓高度為56.6m，地面以上結(jié)構(gòu)13層，在兩側(cè)設(shè)16層塔樓，設(shè)有一層地下空間，計算建筑面積為141.88萬m2，建筑內(nèi)部采用中央空調(diào)系統(tǒng)。建筑結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土筒體-框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計抗震烈度Ⅸ度、二級分類標準以及安全等級。該建筑原結(jié)構(gòu)筒壁厚度為450mm，底層框架柱截面為800mm×800mm，框架梁高為800mm。通過科學(xué)的抗震計算，得出原結(jié)構(gòu)難以滿足水平地震作用下的抗震要求；另外梁、柱配筋率過高，也影響到施工正常開展。在進行技術(shù)經(jīng)濟比選后，決定設(shè)置粘彈性阻尼器以提高耗能減震效果。在應(yīng)用后，經(jīng)過計算，證實抗震性能比原結(jié)構(gòu)更高，提高了結(jié)構(gòu)抗震水平。5結(jié)語結(jié)構(gòu)振動控制相關(guān)研究對于建筑工程抗震、抗風(fēng)等設(shè)計工作有重要意義。近年來相關(guān)研究工作不斷深入，也取得了一些積極成就，相信隨著繼續(xù)深入研究、必然會進一步豐富相關(guān)理論與實踐，提高建筑整體性能，促進現(xiàn)代建筑工程質(zhì)量提升。

參考文獻

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作者：包杰宗 單位：慶陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院