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減震、隔震原理及在抗震技術中的研究與應用

發布時間:2013-02-19 10:22所屬分類:車輛管理瀏覽:1加入收藏

【摘 要】:傳統的抗震技術主要依靠提高結構自身的承載能力及變形能力抵抗、消耗地震能量,立足于“抗”,其目標是“小震不壞,中震可修,大震不倒

  【摘 要】:傳統的抗震技術主要依靠提高結構自身的承載能力及變形能力抵抗、消耗地震能量,立足于“抗”,其目標是“小震不壞,中震可修,大震不倒”。 減震、隔震的研究,可實現由“抗”到“控”這一減震防災觀念的重大轉變,更可以發揮設計者的主觀能動作用,通過調整結構的剛度、阻尼、質量分布或對結構施加外力,可以控制結構的地震反應,從而保護結構安全及建筑功能,避免造成重大的人員傷亡和經濟損失。

  【關鍵詞】:主動控制,被動控制,減震,隔震

  一、研究起因

  在目前所知的所有振動中,地震產生的振動從力度、能量來說是最大的,從破壞后果、產生災害等方面來說是最嚴重的。所以工程結構抗震設計的目的是減輕結構的地震破壞,避免人員傷亡,減少經濟損失;同時在地震時使逃生、救援等緊急活動得以維持和運行。一般說來,單體結構的工程控制可以歸結為以結構設計規范為代表的結構抗震設計方法和以近年來研究與應用的結構減震、隔震技術為特點的主、被動結構控制理論與方法。后者所述的這種新型結構抗震原理就是通過減震、隔震技術減少和消弱傳遞到上部結構的地震能,特別是地震力峰值,以減輕結構的破壞,控制地震所帶來的災害。

  二、減震、隔震原理

  地震引起結構振動的全過程是:由震源產生地震能,通過傳播途徑傳遞到結構上,從而引起結構的振動反應。隨著社會的進步,對結構提出了比以往更嚴格的抗震安全性和舒適性要求,而傳統的結構消極抗震設計方法,越來越難以滿足這些要求。為此,各國地震工程學家一直在努力尋求新的結構抗震設計方法,以減震、隔震技術為特點的結構控制設計理論與實踐,便是這種努力的結果。

  減震是根據結構的地震反應,通過自動控制系統的執行裝置,主動給結構施加控制力,達到減小結構振動的目的。從控制理論的觀點看,上述結構減震方法又可分為兩大類:

  被動控制方法:這種方法無外部能源供給,也稱無源控制技術,包括隔震技術和減震技術;

  主動控制方法:這種方法有外部能源供給,也稱有源控制技術。

  隔震是通過某種裝置,將震源與結構隔開,其作用是減弱或改變地震動對結構作用的強度和方式,以此達到減小結構振動的目的。隔震又分為主動隔震與被動隔震:

  主動隔震是將震源隔離起來,使震源產生的振動局限在一定范圍內,隔斷振動傳遞路徑,對其他結構是一種保護措施。此法適用于只發生小而位置明確的情況下。

  被動隔震是通過采用一定的措施或附加于結構、吸收或消耗震源傳遞給主結構的能量,達到減小結構振動的目的。

  減震、隔震這兩種方法的研究和應用開始于20世紀60年代,70年代以來發展很快。這些積極的結構抗震方法與傳統的消極抗震方法相比,有以下優點:

  1.能大大減小結構在地震作用下的變形,保證非結構構件不被地震破壞,從而減少震后維修費用;

  2.能大大減小結構所受的地震作用,從而降低結構造價,提高結構抗震的可靠性。此外,隔震方法能夠較為準確地控制傳到結構上的最大地震力,從而克服了設計結構構件時難以準確確定荷載的困難;

  3.隔震、減震裝置即使震后產生較大的永久變形或損壞,其復位、更換或維修也要比更換、維修結構構件方便、經濟;

  4.用于高技術精密加工設備、核工業設備等的結構物,只能用隔震、減震的方法滿足其嚴格的抗震要求。

  三、減震、隔震在抗震技術中的研究與應用

  傳統的抗震技術主要依靠提高結構自身的承載能力及變形能力抵抗、消耗地震能量,立足于“抗”,其目標是“小震不壞,中震可修,大震不倒”。但是隨著經濟的發展,對建筑物的抗震性能提出了更高的要求:1.承重結構進入塑性階段對于某些重要結構來說是不允許的,例如:紀念性建筑,裝飾昂貴的建筑以及核電站等;2結構體系在設計烈度內雖能避免倒塌,但某些在震后救災中起重要作用的儀器的破壞和同時造成的次生災害將非常嚴重。現代建筑中計算機網絡、通訊、電力等對振動變形非常敏感的設備愈來愈多,使得對建筑結構的抗震性能要求愈來愈高,按傳統的抗震設計方法,難以滿足;3.主體結構破壞后的修復工作難以進行或者代價非常昂貴。

  自1972年J.T.P.Yao提出土木工程振動控制的概念開始,經過國內外研究者的不懈努力,取得了大量成果,結構振動控制現在已經成為結構抗震領域熱點課題之一。由“抗”到“控”是減震防災觀念的重大轉變,更可以發揮設計者的主觀能動作用,通過調整結構的剛度、阻尼、質量分布或對結構施加外力,可以控制結構的地震反應,從而保護結構安全及建筑功能,避免造成重大的人員傷亡和經濟損失。按照控制措施是否需要外部能源,振動控制可以分為主動控制、被動控制、混合控制三種。它可以降低結構的重量,改善結構力學性能,提高結構承載能力和可靠度,使其具有抵抗各種意外荷載或災害荷載的能力。

  1.主動控制,即在結構受到擾動而振動時,通過控制系統的作用,施加外部荷載,從而降低結構的動力反應,需要提供穩定的外部能源。主動控制具有抗震的廣譜性,目前主要應用于結構的風振控制,在結構的地震控制方面尚處于試驗階段,主要是由于其實現的難度。主動控制需要有復雜的軟硬件支持,昂貴的控制系統、維護費用,穩定的外部能源和充足的電源儲備,另外其控制的時問滯后也是一個不容忽視的問題。但從發展的角度來看,隨著建筑向高、大發展,傳統的抗震設計、被動控制將很難滿足其抗震要求,主動控制必將成為一種非常重要的抗震手段,尤其對于至關重要的建筑(如核電站等)來說,因為這類建筑在地震中不允許有一絲損壞,否則將造成不可估量的損失。

  2.被動控制,考慮地震動的一般特性,為隔離或減少(或消耗)輸入上部結構的地震能量,在結構的某些部位設置可調整的彈簧、阻尼器等裝置,使結構難以發生共振并減少主體結構地震反應的一種控制方法。被動控制包括減震和隔震。

  1)減震:即通過研究結構的振動特性,事先在結構的某些部位設置各種阻尼器或耗能構件,或設置調諧質量阻尼器(Tamed Mass Dmper,簡稱為 TMD)、調諧液體阻尼器( TUrned Liquid Dmper簡稱為 TLD),改變結構的動力性能從而降低結構的地震反應。從機理上講減震可分為消能減震和吸震減震。

  消能減震:即把結構的某些非承重構件(支撐,剪力墻等)設成消能桿件或在結構的某些部位(結點,聯結)安裝阻尼器,在受到風荷載或輕微地震動時,這些部位處于彈性狀態,結構仍然具有足夠的側向剛度以滿足正常的使用要求,在強地震作用下,隨著結構的變形的增大,這些消能構件或阻尼器首先進入非彈性變形狀態,產生較大的阻尼,消耗大量的輸入結構的地震能量,從而使主體結構避兔進入明顯的塑性狀態并迅速衰減結構的地震反應,保護主體結構在強地震中不被破壞。早在1970年代,美國就曾在紐約世界貿易中心的塔樓的梁柱節點處安裝了一萬個夾板粘滯阻尼器,成功地使風振衰減。近些年的研究表明,采用阻尼器也可顯著的改善建筑結構的抗震性能。1980年代以來又發展了干摩擦耗能裝置,也有很好的減震效果。我國曾對摩擦阻尼器進行過研究,并且成功地改造過一建筑,有關研究表明,消能減震可以保護結構,在大震下免于坍塌,它既可用于新建結構,也可用于震損結構的加固,并且取得較好的經濟效益。

  同傳統的依靠結構本身以及節點的延性耗散地震能量相比,消能減震具有以下的優點:把非承重構件作為消能構件而主體結構基本上處于彈性;震后只需檢修阻尼消能構件即可使用;可利用結構的抗側力構件作為消能構件,無需專設;可有效地降低結構的地震反應。

  吸震減震:在建筑的某部位設置一個具有質量M,剛度K,阻尼C的子結構,使原結構體系的動力性能發生變化。當原結構承受地震沖擊而劇烈運動時,由于子結構系統與原結構兩系統的動力相互作用,使原結構的振動明顯衰減。目前研究比較多的有:TMD,TLD。

  雖然目前對于TMD,TLD的研究時間不長,但是已取得了重要的研究成果,其有效性己在實際結構的應用中得到了證實。實踐證明TMD系統可以有效的使風振衰減的結論。日本從1980年代至今對被動TMD開展了多方面的研究并且開發其應用,1986年在CHIBA PORT TOWER 125米高上設置支撐式被動TMD,在1987年12月17日近海地震(5級)中經受了考驗,取得了良好的降低位移的效果。進入1990年代以來,人們開始將水箱設計成TLD的振動控制方法吸引了越來越多研究者的興趣,并且迸行了這種體系的實驗和分析研究,研究表明 TLD系統可以有效的衰減結構的風振和地震反應。

  TMD和TLD系統目前在實際結構中主要用于風振控制,用以減小地震反應的則比較少,主要是由于其減震效果主要取決于主次結構的質量比、阻尼比和剛度比,地震的隨機性很難使系統在各個階段都處于最佳狀態。

  2)隔震,按照隔震裝置設置位置可分為基礎隔震和層間隔震。

  基礎隔震是指在結構底部與基礎面之間設置某些柔性隔震消能裝置使上部結構與固結于地基中的基礎分離,阻隔地震波向上部結構傳播,延長結構的自振周期避開地震卓越周期,從而大大減少結構的地震反應的一種結構抗震技術措施。

  層間隔震不同于基礎隔震,對隔震元件層上部結構而言,其工作機理類似于基礎隔震;而對隔震層之下部分來說其作用類似于TMD。

  隔震裝置的設置位置通常有:a.將隔震裝置置于基底;b.置于底層上部;c.在建筑的不同結構類型部分之間;d.置于橋梁墩頂或其他結構的柱頂;e.置于水箱或其它設備底。

  隔震裝置必須具有以下特性:a.能夠支撐建筑物的全部重量;b.能使建筑物在基礎面上柔性滑動,使得結構的自振周期大大加長,遠離地震卓越周期,從而能把地面振動隔開,有效的降低結構的地震反應;c.當結構受到輕微的地震作用或風荷載時,隔震裝置有足夠的初始剛度滿足正常的使用要求:d.由阻尼器來消耗部分地震能量,使隔震裝置變形不致過大,提高其工作的安全性及可靠性,并且降低結構的地震反應:e.良好的恢復力,震后有能力恢復到原先位置。

  到目前為止,經過抗震工作者的努力,已開發出實用的隔震裝置有:GAPEC系統、新西蘭系統、D.E.F系統、MAPRA系統。另外還有用RB(疊層橡膠支座,Rubber Bearing,簡稱為RB)和彈塑性阻尼器配合使用的隔震系統、高阻尼疊層橡膠支座、彈簧隔震器和粘性阻尼器等。這些隔震器被廣泛的應用于橋梁、房屋建筑、核電站,研究表明,隔震可以有效地降低結構的地震反應。其中新西蘭系統(鉛芯疊層橡膠支座,Lead Rubber Bearing,簡稱為LRB)由于將阻尼器和隔震元件組合為一體,施工方便易于實現并且節省空間,應用尤為廣泛。我國隔震建筑大部分采用疊層橡膠支座。

  現在,隔震已經由理論和試驗研究、方案設計、結合實際工程進行分析研究向試點工程和應用發展。隔震作為一種新型有效的抗震手段得到了國際地震工程界的極大重視。新西蘭是世界上第一個在結構規范中正式寫入結構隔震條文的國家;美國加州地震工程研究中心對疊層橡膠支座體系進行了大量的研究和試驗取得了多項研究成果,并且制定了“結構隔震規程”;日本在隔震技術方面也進行了大量的研究,并且興建了大批的隔震建筑。

  運用隔震技術的建筑己經經受了實際地震的考驗。1994年在美國圣費南爾多發主的洛杉磯地震,震級為里氏6.7級直下型地震,死亡56人,超過7300人受傷,損失很大。在這次地震中,震中附近有兩座醫院,一座為抗震結構(USC University醫院),另一座為隔震結構(OliVe View醫院)。隔震結構在這次地震及其后的余震中,最大地面加速度為0.49g,最大樓頂加速度為0.21g,建筑物內部的各種機器等均未損壞,醫院功能得以維持,成為防災中心,起到十分重要的作用。而另一座抗震結構,由于建筑結構發生破壞,機器等翻轉,并且水管破裂,建筑物無法使用,完全喪失了醫院的功能。1995年日本兵庫縣南部發生地震,該地震為直下型地震,震級為里氏7.2級。在這次地震中,位于震源東北35km的松村組技術研究所研究大樓(3層RC結構隔震建筑)和鄰近的管理大樓(3層S結構抗震建筑),得到了地震觀測紀錄。從研究大樓的觀測數據看,東西向地面最大加速度為265gal,隔震建筑屋面最大加速度為273gal,一層最大加速度為253gal,而抗震建筑屋面最大加速度為677gal;南北向地面最大加速度為272gal,隔震建筑屋面最大加速度為198gal,一層最大加速度為148gal,而抗震建筑屋面最大加速度為965gal。可見研究大樓一層的加速度值比基礎小,隔震效果得到發揮,而鄰近的管理大樓,其屋面加速度比研究大樓大2-5倍。因此隔震技術尤其適用于對于震后救災、恢復主產具有重要作用的建筑,如:政府、警察局、電力、通訊、醫院等建筑,也適用于博物館、計算機中心等內部價值很高的建筑,以及建筑物本身價值很高的古建筑等。當前隔震技術在國際抗震學術和工程界得到了極大的重視,各個國家紛紛開展了關于隔震的研究,并推廣這一技術建造了相當數量的隔震建筑。

  四、結語

  減震、隔震結構同傳統的抗震體系相比具有以下優點:明顯有效地減輕了結構的地震反應;在遭遇強地震時,上部結構仍處于彈性工作狀態,保證了建筑功能的實現,這對于重要的抗震救災部門來說是非常關鍵的;抗震措施簡單明了,震后修復方便。對減震、隔震的進一步研究不僅具有巨大的經濟效益,也具有巨大的社會效益。

  當然,減震、隔震也具有其局限性,如:對于自振周期T

  目前對于層間隔震的研究比較少,我國學者曾對應用LRB對房屋加層改造進行了研究,研究表明,利用層間隔震可以有效地降低結構的地震反應。由于層間隔震適用的特殊性,所以在將來的增層改造中將具有非常廣泛的應用前景。

  總而言之,結構減振、隔震技術是一種新型的結構抗震方法,在過去的幾十年中,這種技術不僅在新建工程中獲得了應用,而且在既有建筑的抗震加固與震后修復中獲得了發展。某些采用減震、隔震技術的工程已受到了地震的檢驗,取得了令人滿意的效果。結構減振、隔震技術將結構的“強化”抗震轉變為個別部位的“弱化”消震,將結構的被動抗震轉變為主動減震與隔震,克服了目前工程抗震中的盲目性與被動性。可以預言,結構減震、隔震技術將成為21世紀減震防災的重要手段和方法,其在實際工程中,特別在高層建筑中具有廣泛的應用前景。

 


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