建筑工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(diǎn)。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)而言，研究振動(dòng)控制技術(shù)并應(yīng)用于實(shí)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。基于實(shí)踐研究，本文對(duì)振動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行研究，僅供參考。

關(guān)鍵詞：建筑工程；振動(dòng)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(shì)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(shí)有發(fā)生，造成極大破壞，引發(fā)人們對(duì)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(dòng)控制研究之中，并且取得一定積極成果。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dòng)控制研究現(xiàn)狀

1.1被動(dòng)控制

此類技術(shù)通過改變結(jié)構(gòu)某些構(gòu)件的實(shí)際構(gòu)造或者改變體系動(dòng)力學(xué)特征、于結(jié)構(gòu)某處加子系統(tǒng)等方式達(dá)到減振目標(biāo)，技術(shù)應(yīng)用無需外部能源支持。通常情況下，被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、整體造價(jià)也不高，維護(hù)也很方便?；讵?dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并且也證實(shí)具有一定的抗震性能，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)熱點(diǎn)，在各類工程中有廣泛應(yīng)用。對(duì)于被動(dòng)技術(shù)，根據(jù)當(dāng)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(dòng)，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(diǎn)、支撐處等位置設(shè)耗能阻尼減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

1.2主動(dòng)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(dòng)控制相對(duì)復(fù)雜，并且在造價(jià)上更高，通常也難以進(jìn)行維護(hù)，不過在現(xiàn)代高層建筑工程中，采用主動(dòng)控制技術(shù)實(shí)際振動(dòng)控制效果更好?，F(xiàn)代主動(dòng)控制也不斷采用一些尖端技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的實(shí)時(shí)追蹤以及對(duì)未來振動(dòng)情況的科學(xué)預(yù)測(cè)，有利于進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使抗震性能達(dá)到最優(yōu)。細(xì)分這一類技術(shù)，有如下兩種：①控制力型：由主動(dòng)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(dòng)時(shí)借助外部能源對(duì)目標(biāo)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(jì)算機(jī)后計(jì)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(dòng)。②半主動(dòng)控制型，采用參數(shù)控制方式，以小功率的能源根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)有效降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

1.3混合控制

可理解為主動(dòng)、被動(dòng)融合控制，這一控制方式設(shè)計(jì)上相對(duì)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(shì)。在日本，很多建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了這一方法。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了確保應(yīng)用科學(xué)性，需要調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)地震情況，勘查地質(zhì)條件，盡量全面了解相關(guān)信息，進(jìn)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(dòng)、被動(dòng)技術(shù)的結(jié)合，融合了兩種控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，但造價(jià)也明顯上升，國(guó)內(nèi)應(yīng)用不多。

2振動(dòng)控制技術(shù)簡(jiǎn)析

2.1地基材料

經(jīng)過實(shí)踐研究證實(shí)，在工程建設(shè)中，使用不同的地基材料，在遭遇地震時(shí)，地震波會(huì)產(chǎn)生不同反應(yīng)。所以，研究地基材料對(duì)抗震的影響具有重要意義。在工程中，可以針對(duì)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(shí)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(shí)，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(duì)建筑危害性的重要手段。經(jīng)過研究證實(shí)，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(duì)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(jì)劃的設(shè)置一些消能裝置。假如遭遇的地震等級(jí)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(fù)面影響，控制危害性。假如遭遇較高等級(jí)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(shì)：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(hù)主體結(jié)構(gòu)不受損壞；②造價(jià)相對(duì)較低，具有一定的經(jīng)濟(jì)性，也符合當(dāng)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(hù)成本相對(duì)較低。設(shè)置耗能減振裝置，雖然也需要定期做好維護(hù)工作才能維持良好性能，但與其他裝置相比，所需要花費(fèi)的維護(hù)費(fèi)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(jì)，此時(shí)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(huì)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(dòng)控制需要解決的問題

現(xiàn)如今對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制已經(jīng)開展了大量的相關(guān)研究，抗震、減振設(shè)計(jì)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(duì)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(gè)循序漸進(jìn)的過程，技術(shù)跨越難以超脫發(fā)展規(guī)律，結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(jì)控制器，需要嘗試進(jìn)一步簡(jiǎn)化建模工程、模型；要探索怎樣進(jìn)一步降低能耗與整體造價(jià)，讓建筑在具有良好性能的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化工程；要注意各種外界因素對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的影響，提高振動(dòng)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(dòng)控制邁向智能化。

4案例分析

某市重點(diǎn)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(jì)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(jì)抗震烈度Ⅸ度、二級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)以及安全等級(jí)。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(jì)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(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jì)算，證實(shí)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(dòng)控制相關(guān)研究對(duì)于建筑工程抗震、抗風(fēng)等設(shè)計(jì)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(huì)進(jìn)一步豐富相關(guān)理論與實(shí)踐，提高建筑整體性能，促進(jìn)現(xiàn)代建筑工程質(zhì)量提升。

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作者：包杰宗 單位：慶陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院