减震\隔震原理及在抗震技术中的研究与应用

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　　【摘 要】：传统的抗震技术主要依靠提高结构自身的承载能力及变形能力抵抗、消耗地震能量，立足于“抗”，其目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。 减震、隔震的研究，可实现由“抗”到“控”这一减震防灾观念的重大转变，更可以发挥设计者的主观能动作用，通过调整结构的刚度、阻尼、质量分布或对结构施加外力，可以控制结构的地震反应，从而保护结构安全及建筑功能，避免造成重大的人员伤亡和经济损失。
　　【关键词】：主动控制 被动控制 减震 隔震
　　Abstract: The traditional earthquake-proof techniques mainly rely on the improvement of the self bearing capacity and deformation capacity to resist and consume the earthquake energy, based on "resistance", with the goal of "in the minor can not be destroyed, in the medium can be repaired, in the large should not collapse". The study of the earthquake alleviation and separation can realize the transformation of the consepts from "resistance" to "control", and a access for the designers to play their subjective initiative. Through the adjustment of the stiffness, damping, mass distribution of the structure or the external forces imposed on the structure, the earthquake reaction of the structure can be controlled, so as to protect the security of the structure and the building functions to avoid the significant casualties and economic losses.
　　Key words: active control; passive control; earthquake alleviation; earthquake separation
　　中图分类号：TU352.1+1   文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
　　
　　一、研究起因
　　在目前所知的所有振动中，地震产生的振动从力度、能量来说是最大的，从破坏后果、产生灾害等方面来说是最严重的。所以工程结构抗震设计的目的是减轻结构的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失；同时在地震时使逃生、救援等紧急活动得以维持和运行。一般说来，单体结构的工程控制可以归结为以结构设计规范为代表的结构抗震设计方法和以近年来研究与应用的结构减震、隔震技术为特点的主、被动结构控制理论与方法。后者所述的这种新型结构抗震原理就是通过减震、隔震技术减少和消弱传递到上部结构的地震能，特别是地震力峰值，以减轻结构的破坏，控制地震所带来的灾害。
　　
　　二、减震、隔震原理
　　地震引起结构振动的全过程是：由震源产生地震能，通过传播途径传递到结构上，从而引起结构的振动反应。随着社会的进步，对结构提出了比以往更严格的抗震安全性和舒适性要求，而传统的结构消极抗震设计方法，越来越难以满足这些要求。为此，各国地震工程学家一直在努力寻求新的结构抗震设计方法，以减震、隔震技术为特点的结构控制设计理论与实践，便是这种努力的结果。
　　减震是根据结构的地震反应，通过自动控制系统的执行装置，主动给结构施加控制力，达到减小结构振动的目的。从控制理论的观点看，上述结构减震方法又可分为两大类：
　　被动控制方法：这种方法无外部能源供给，也称无源控制技术，包括隔震技术和减震技术；
　　主动控制方法：这种方法有外部能源供给，也称有源控制技术。
　　隔震是通过某种装置，将震源与结构隔开，其作用是减弱或改变地震动对结构作用的强度和方式，以此达到减小结构振动的目的。隔震又分为主动隔震与被动隔震：
　　主动隔震是将震源隔离起来，使震源产生的振动局限在一定范围内，隔断振动传递路径，对其他结构是一种保护措施。此法适用于只发生小而位置明确的情况下。
　　被动隔震是通过采用一定的措施或附加于结构、吸收或消耗震源传递给主结构的能量，达到减小结构振动的目的。
　　减震、隔震这两种方法的研究和应用开始于20世纪60年代，70年代以来发展很快。这些积极的结构抗震方法与传统的消极抗震方法相比，有以下优点：
　　1.能大大减小结构在地震作用下的变形，保证非结构构件不被地震破坏，从而减少震后维修费用；
　　2.能大大减小结构所受的地震作用，从而降低结构造价，提高结构抗震的可靠性。此外，隔震方法能够较为准确地控制传到结构上的最大地震力，从而克服了设计结构构件时难以准确确定荷载的困难；
　　3.隔震、减震装置即使震后产生较大的永久变形或损坏，其复位、更换或维修也要比更换、维修结构构件方便、经济；
　　4.用于高技术精密加工设备、核工业设备等的结构物，只能用隔震、减震的方法满足其严格的抗震要求。
　　
　　三、减震、隔震在抗震技术中的研究与应用
　　传统的抗震技术主要依靠提高结构自身的承载能力及变形能力抵抗、消耗地震能量，立足于“抗”，其目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。但是随着经济的发展，对建筑物的抗震性能提出了更高的要求：1.承重结构进入塑性阶段对于某些重要结构来说是不允许的，例如：纪念性建筑，装饰昂贵的建筑以及核电站等；2结构体系在设计烈度内虽能避免倒塌，但某些在震后救灾中起重要作用的仪器的破坏和同时造成的次生灾害将非常严重。现代建筑中计算机网络、通讯、电力等对振动变形非常敏感的设备愈来愈多，使得对建筑结构的抗震性能要求愈来愈高，按传统的抗震设计方法，难以满足；3.主体结构破坏后的修复工作难以进行或者代价非常昂贵。
　　自1972年J.T.P.Yao提出土木工程振动控制的概念开始，经过国内外研究者的不懈努力，取得了大量成果，结构振动控制现在已经成为结构抗震领域热点课题之一。由“抗”到“控”是减震防灾观念的重大转变，更可以发挥设计者的主观能动作用，通过调整结构的刚度、阻尼、质量分布或对结构施加外力，可以控制结构的地震反应，从而保护结构安全及建筑功能，避免造成重大的人员伤亡和经济损失。按照控制措施是否需要外部能源，振动控制可以分为主动控制、被动控制、混合控制三种。它可以降低结构的重量，改善结构力学性能，提高结构承载能力和可靠度，使其具有抵抗各种意外荷载或灾害荷载的能力。

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