建筑工程结构振动控制技术研究

发布时间：2020-11-23

　　摘要：现代建筑体型日益庞大，高层建筑不断增多，在建筑行业飞速发展的过程中，建筑抗震也成为一大难点。对于建筑结构而言，研究振动控制技术并应用于实践中具有重要意义，是确保建筑结构稳定性的基础性工作。基于实践研究，本文对振动控制技术进行研究，仅供参考。

　　关键词：建筑工程;振动控制;结构抗震

　　引言

　　建筑工程行业一直保持着良好的发展势头。随着建筑行业快速发展，配套技术要求也在不断提高。近些年来，地震灾害时有发生，造成极大破坏，引发人们对结构抗震性能的普遍关注，相关专家学者也投入结构振动控制研究之中，并且取得一定积极成果。加强结构振动控制研究，是提高建筑抗震性能，减少地震危害性的重要工作，应保持足够重视。

　　1结构振动控制研究现状

　　1.1被动控制

　　此类技术通过改变结构某些构件的实际构造或者改变体系动力学特征、于结构某处加子系统等方式达到减振目标，技术应用无需外部能源支持。通常情况下，被动控制结构相对简单、整体造价也不高，维护也很方便。基于独特技术优势，并且也证实具有一定的抗震性能，成为结构设计热点，在各类工程中有广泛应用。对于被动技术，根据当前发展情况，主要可分为基础隔振、耗能吸能减振两类。其中，基础隔振是设置隔振消能装置削减地震向地表传递的大量能量以有效降低结构振动，一般在中低层建筑中使用，高层建筑不适用。吸能减振技术是在结构节点、支撑处等位置设耗能阻尼减小结构振动。

　　1.2主动控制

　　此类控制技术需要外部能量供给才能发挥作用。主动控制相对复杂，并且在造价上更高，通常也难以进行维护，不过在现代高层建筑工程中，采用主动控制技术实际振动控制效果更好。现代主动控制也不断采用一些尖端技术，可以实现对结构振动的实时追踪以及对未来振动情况的科学预测，有利于进一步完善结构设计，使抗震性能达到最优。细分这一类技术，有如下两种：①控制力型：由主动拉索、支撑系统、阻尼系统、挡风板系统等组成，遭遇结构振动时借助外部能源对目标建筑结构施加控制力，利用感应器将收集的信息输入计算机后计算，得到所需施加的控制力，再借助外部能源功能施加控制力，减小结构振动。②半主动控制型，采用参数控制方式，以小功率的能源根据实际需要调整结构动力参数有效降低结构振动。

　　1.3混合控制

　　可理解为主动、被动融合控制，这一控制方式设计上相对繁琐，必须多次尝试、磨合，使二者协同工作，才能发挥技术优势。在日本，很多建筑结构设计采用了这一方法。在设计时，为了确保应用科学性，需要调查现场地震情况，勘查地质条件，尽量全面了解相关信息，进一步优化控制系统，才能起到良好的防震抗震作用。虽然是主动、被动技术的结合，融合了两种控制技术的优势，但造价也明显上升，国内应用不多。

　　2振动控制技术简析

　　2.1地基材料

　　经过实践研究证实，在工程建设中，使用不同的地基材料，在遭遇地震时，地震波会产生不同反应。所以，研究地基材料对抗震的影响具有重要意义。在工程中，可以针对性使用一些具有抗震性能的材料处理地基，能够减少震波反应，有效减少建筑震感。为提高建筑抗震能力，有使用粘土、砂子开展垫层施工作业的案例，也有采用糯米制作垫层的相应研究。在大量研究论证后，证实沥青材料具有良好的隔震效果。

　　2.2基础隔震

　　遭遇地震波时，基础部分首先与地震波接触，之后将地震波传递到建筑主体。做好基础隔振，是减少地震波对建筑危害性的重要手段。经过研究证实，在施工中，设置基础隔振、上部结构隔震，底层隔震装置发挥的作用更大，基础隔振对于提高结构整体抗震性能具有重要意义。

　　2.3耗能减震

　　是在结构的层间等位置有计划的设置一些消能装置。假如遭遇的地震等级不高，建筑结构可以借助各处设置的消能装置有效维持结构弹性状态，从而降低地震负面影响，控制危害性。假如遭遇较高等级的地震，耗能减震装置可以增加结构可形变程度，与消能装置大阻尼协同作用，削减、吸收大量地震能量，转换为热能并传输到外界，可以明显降低地震影响。这一技术有以下优势：①使结构安全性提高，并且耗能减震装置可靠性高，可以吸收、消耗可观的地震能量，有效保护主体结构不受损坏;②造价相对较低，具有一定的经济性，也符合当前环保要求。装置使用柔性材料，可有效减少工程结构所需设置的剪力墙数量，减少配筋断面;③使用范围广。工厂、办公楼等等均可以应用并且可以发挥出理想效果;④维护成本相对较低。设置耗能减振装置，虽然也需要定期做好维护工作才能维持良好性能，但与其他装置相比，所需要花费的维护费用处于较低水平。

　　2.4悬挂隔震

　　这一技术可以阻断地震波从地面上传导到主体结构，有效预防主体结构因地震受损。其装置结构几乎全部质量都悬挂于地面上，如果遭遇地震，建筑结构上层分离，出现无惯性力，可以起到良好的隔震效果。这一技术一般用于钢结构建筑，在大型钢结构建筑中应用更多。随着技术发展，也可分为主框架、子结构两大部分。一般采用悬挂子结构设计，此时主框架结构和子结构相互分离。如果发生地震，地震波冲击到悬挂位置，能量会明显下降，难以传递到建筑主体，从而减少建筑结构受震后的可能性损失。

　　3结构振动控制需要解决的问题

　　现如今对结构振动控制已经开展了大量的相关研究，抗震、减振设计不断取得新突破，获得质的飞跃，也有更多的科研工作者对这一领域的研究保持高度关注。但是科学研究是一个循序渐进的过程，技术跨越难以超脱发展规律，结构振动控制领域一些看似光辉的成果很可能也存在一些不成熟之处，很多问题依然需要解决。例如，设计控制器，需要尝试进一步简化建模工程、模型;要探索怎样进一步降低能耗与整体造价，让建筑在具有良好性能的基础上简化工程;要注意各种外界因素对结构振动产生的影响，提高振动控制持久性以及建筑结构安全性;要尝试结合其他学科技术成果，使结构振动控制迈向智能化。

　　4案例分析

　　某市重点建筑，主楼高度为56.6m，地面以上结构13层，在两侧设16层塔楼，设有一层地下空间，计算建筑面积为141.88万m2，建筑内部采用中央空调系统。建筑结构为钢筋混凝土筒体-框架结构，结构设计抗震烈度Ⅸ度、二级分类标准以及安全等级。该建筑原结构筒壁厚度为450mm，底层框架柱截面为800mm×800mm，框架梁高为800mm。通过科学的抗震计算，得出原结构难以满足水平地震作用下的抗震要求;另外梁、柱配筋率过高，也影响到施工正常开展。在进行技术经济比选后，决定设置粘弹性阻尼器以提高耗能减震效果。在应用后，经过计算，证实抗震性能比原结构更高，提高了结构抗震水平。5结语结构振动控制相关研究对于建筑工程抗震、抗风等设计工作有重要意义。近年来相关研究工作不断深入，也取得了一些积极成就，相信随着继续深入研究、必然会进一步丰富相关理论与实践，提高建筑整体性能，促进现代建筑工程质量提升。——论文作者：包杰宗

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