建筑结构的控制与减震设计及其研究

第19卷　第1期

　1999年3月西安矿业学院学报Vol. 19No. 1Mar. 1999　JOURNAL OF XI ’AN MIN IN G INSTITU TE

建筑结构的控制与减震设计及其研究

郑山锁

(西安建筑科技大学建筑工程系, 西安710054) Ξ

摘　要:对建筑结构控制与减震设计的一些较为实用方法给予简要介绍, 研究成果的评述, 关键词:建筑结构; 控制; 减震; 动力优化设计

中图分类号:Tu 375　　　文献标识码:A :-) 01-0036-05

。, 抗震与消震相结合, 能动控制与设计相结合, , 调整结构的刚度、强度和质量分布, 控制结构实现最佳耗能机构, 增强结构对地震作用下强迫变形的适应能力, 使其满足抗震设防三水准要求。结构控制理论较单一的强度控制理论, 不仅能提高结构的抗震能力, 特别是抗倒塌能力, 而且一定程度地节省了材料, 但潜力有限。因为按结构控制理论设计的结构所承受的地震作用并没有减少, 故在强烈地震作用下, 结构仍可能产生大的变形, 将导致结构构件, 特别是非结构构件的严重破坏, 甚至结构整体或局部倒塌。减震技术能一定程度地隔阻地震剪切波向结构传播, 限制了输入结构的地震能量, 可大幅度降低结构的地震反应, 为在高烈度地区建造抗震结构提供了另一条新途径。本文对建筑结构控制与减震的一些较为实用方法给予简要介绍, 并结合对近期一些研究成果的评述, 探讨结构的动力优化设计及具有发展前景的研究方向。

1　建筑结构的控制设计

理论和试验研究均表明, 并经震害实践证明, 如果要求建筑结构在遭受地震作用时不破坏或不倒塌, 至少应具备下列两个条件之一:结构的主要部位有足够的强度储备; 结构的主要部位对地震作用下的强迫变形有充分的适应能力。如单纯满足前者, 往往需要耗用过多的材料, 且若遭受强烈地震作用, 结构仍可能破坏或倒塌。从而提出抗震结构按两阶段设计, 即在弹性阶段按强度控制, 在弹塑性阶段按变形控制, 这样设计的结构, 既有一定的强度, 又具有较大的延性和耗能能力, 能一定程度地适应强烈地震使结构产生的强迫变形。

1. 1　机构控制

在分析框架和抗震墙结构的倒塌模式的基础上, 提出对破坏机构进行控制, 使之发生Ξ收稿日期:1998210208

作者简介:郑山锁(19602) , 男, 工程师。

第1期　　　　　　　　　郑山锁　建筑结构的控制与减震设计及其研究37期望的破坏机构形式, 达到既具有足够强度又具有足够延性的目的。实现途径是在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰, 对塑性程度及区域进行控制, 使得结构在强震时能形成最佳耗能机构。对于一个实际的多层、高层建筑结构, 如何实现机构控制, 即人工铰的构造、布置和出现顺序的确定, 是一个尚待深入研究的课题, 且是此方案能否真正实现的关键。

1. 2　梁的延性设计

在梁的端部设置特殊腹筋(直腰筋或交叉斜筋) , 可以增强梁端的抗震性能, 特别是对于剪跨比小的梁, 延性和耗能均有大幅度的提高。

作影响极大。试验表明, 当连梁的跨高比为5时, 移的延性系数都在8以上, , 延性系数则降至3左右, 滞回曲线严重捏扰, , 其跨高比往往仅为1左右, , 则需要对它的组成和构造采取一定措施1/2梁高的中性面上留一水平通缝, 钢板上开有椭圆形螺栓孔, 用高强螺栓把两钢板连结。在竖载、, 高强螺栓把水平通缝分开的两部分连梁连结成整体工作, 使刚性连梁整体刚度不变, 以保证其工作在弹性阶段; 在强烈地震作用下, 两钢板发生相对滑动, 原来跨高比为1的刚性连梁将被分成两根跨高比为2的小梁协同工作, 这样, 不仅延性系数由原来的3提高为10左右, 而且由于钢板间的滑动摩擦, 使其耗能能力也得到了一定改善。措施之二是在刚性连梁内埋设一根工字型钢, 以提高其延性和耗能能力。

1. 3　柱的延性设计

虽然不希望塑性铰发生在柱上, 但是它们仍需具有一定的延性和耗能能力, 才能保证大震时不倒。试验表明, 采用螺旋箍筋能较大程度地提高柱的延性和后期抗轴压能力。螺旋箍筋分为矩形箍和圆形箍, 单旋箍和复合箍。其中复合螺族旋箍效果最好, 圆形箍比矩形箍要好。

1. 4　新型复合材料节点

节点的合理设计是提高结构抗震性能的关键之一, 而提高其强度和延性仅靠增加箍筋效果不显著, 而且太多箍筋给施工带来较大的困难。因而不少学者致力于一些新型节点的研究, 其中以钢纤维砼和劲性砼梁柱节点效果较好。这种节点由于劲性钢材或钢纤维与砼的共同工作, 使得节点区砼的受力性能, 特别是剪切变形大大改善, 延性和耗能能力显著提高。

1. 5　折曲撑和偏心连结支撑

一般的交叉支撑框架剪切变形能力低、刚度降低幅度大、耗能差, 采用折曲撑或偏心连结支撑抗侧力单元, 可以改善这些缺点, 其中折曲撑由钢纤维砼杆制造, 偏心连结支撑可用钢杆或劲性钢筋砼杆组成。设计原则是在强震时让折曲撑先弯折破坏, 然后梁才破坏, 即形成撑—梁—柱的理想破坏机制。由于曲撑的存在和钢纤维砼的良好变形能力, 整个框架单元的延性和耗能性能好, 而且在正常使用荷载下, 曲撑又能保证一定的抗侧刚度。

38西安矿业学院学报　　　　　　　　　1999年　综上分析表明, 结构本身的延性耗能设计是靠提高构件的延性耗能能力来实现。结构的构件无非是梁、板、柱和墙等, 内部受力材料是受力筋、构造筋(对于劲性砼则是型钢) 以及砼, 延性耗能设计只能从这些材料的配置数量和构造方式来实现, 显然该方式能提高结构的抗震能力。

2　建筑结构的减震设计

结构的减震设计方法很多, 其基本思想是通过设计主动或被动的结构特殊体系, 使得结构在强震时所受到的实际地震作用较小。因此, 须象弹性法及延性耗能设计要求的那么高。正因为如此, 展前景。

2. 1　吸震设计

-吸震器, 在地震时通。其实现的条件, 、质量参数的合理匹配。动接触, 其方法是在筒中筒结构楼板与, 内外筒组成动接触体系, 通过振动时两部分的微碰撞而相互制约、互相吸能, 从而降低整个结构的地震反应。另一种类似的设计方案是多个抗侧力结构局部之间用阻尼控制器相连接, 通过各局部之间的相对运动约束来互相吸能, 调整整个组合结构的地震反应。

2. 2　阻震设计

在结构的一些连接处或一些构件上装上一定数量的阻尼器, 通过这些阻尼器的较大阻尼力去减少结构的振动响应。如果阻尼器的性能可靠, 则结构的减震效果是稳定可靠的。主要方案有:

1) 在高层框架-核心筒体的连接处采用弹簧钢杆摩擦减震器和砂质减震器;

2) 在结构的抗震缝、伸缩缝或沉降缝处放置扭转梁阻尼器或挤压铅阻尼器;

3) 液压控制阻尼设计:将结构构件与液压控制系统相连, 利用结构振动的相对位置产生液流, 而液流在液压回路及经过液压元件时产生一定的阻尼力, 以减轻结构的地震反应;

4) 耗能横缝填充墙:主要思想是在填充墙上设置耗能横缝。这类墙的左右与框架柱脱开, 下部与框架固接, 上部由水平耗能缝通过耗能器与框架相连。耗能器可由软钢或摩擦耗能器组成。工作原理是在大震时软钢进入弹塑性滞回循环耗能和摩擦耗能器相对滑动耗能。

2. 3　隔震设计

这是目前在我国研究得最多的设计方法。它的基本原理是在地震激励的传递路线上设置隔震层, 使通过隔震层传到结构上的地震作用减少到一定程度。这种设计通常伴随有阻震设计的特点, 这是因为隔震层同时设有特殊阻尼材料的缘故。隔震层通常是设置在结构的首层, 一般设在与基础的连接面上, 称为基础隔震, 也可设在桩顶。

2. 4　可变结构

第1期　　　　　　　　　郑山锁　建筑结构的控制与减震设计及其研究39主要思想是:在风载与小震时, 结构有较强的抗侧刚度; 而在强震作用下, 结构将会蜕变成另一种结构形式, 刚度降低, 周期变长, 避开场地土的卓越周期, 而且新的结构形式具有较强的耗能能力, 使结构破坏程度受到控制, 提高了抗大震的能力。这种设计方法伴随着阻震设计的特点。下面介绍4种方案

1) 带竖缝的抗震墙:在普通悬臂式剪力墙上沿高度设置一系列不连续的竖缝, 虽然由于设缝抗震墙刚度有所降低, 但仍足够低抗风载和小震作用。在强震时, 剪力联结面开裂至屈服, 整片墙变为并排一起的小墙肢, 刚度大大降低, 且通过联结面和缝的摩擦可消耗大量的地震能量。

2) 设置液压联结面和液压铰:压阻尼缸。其工作原理是:在正常的使用荷载、, 个结构单元保持足够的弹性刚度及整体性。, 结构单元内部可相互滑动或转动震能量, 3) 、高强螺栓与阻尼材料组成, , 叉点处提供足够的强度和刚度, 象普通直撑那样工作。, 上撑与下撑(或左撑与右撑) 之间的剪力大于抗滑承载力时, 可相对滑动, 导致刚度大大下降, 且滑动引起的干摩擦和阻尼材料的耗能相当大, 显著地减少了结构的破坏程度。

4) 摩擦连梁:把连梁在反弯点处分成两段“悬臂梁”, 然后和两块摩擦板通过高强度螺栓把它们连接起来。在正常使用荷载下, 切口无滑移, 摩擦连梁如同普通连梁一样; 在强烈地震时, 连梁剪力超过滑移荷载, 切口之间产生滑移, 结构刚度降低, 周期变长, 而且摩擦过程可消耗大量地震能量, 故结构的反应明显减弱。

3　结构的动力优化设计

结构控制与减震设计的各种方法在具体实施时均存在一个优化设计问题, 如吸震器和阻尼器的参数、位置的优化; 人工塑性铰的位置、数量及出现次序的优化; 隔震体系的相对滑移量与隔震效果之间的优化等。下面以框架2抗震墙结构为例, 介绍结构的动力优化设计。

机构控制理论[1,2]要求:对框架结构, 在中震时塑性铰仅出现在梁两端, 在大震时才在柱根部出现塑性铰, 以形成梁式侧移机构, 在任何情况下节点始终处于弹性状态。对抗震墙结构, 在中震时塑性铰仅出现在连系梁两端, 在大震时才在墙体根部出现塑性铰。根据实际震害和试验研究中墙体先于框架破坏的规律, 通过优化分析得知, 框架2抗震墙结构的最佳耗能机构为:在中震时, 塑性铰仅依次出现在连系梁两端、墙体根部及框架梁两端, 在大震时才在框架柱根部出现塑性铰。调整框架与抗震墙的侧移刚度比、框架梁与柱及连系梁与墙体的强度比、柱轴压比等参数, 并保证梁端、柱端和墙体根部不发生剪切破坏(或滑移) , 即可控制连系梁、框架梁、柱、墙体的开裂和屈服顺序, 从而达到控制整个框架-剪力墙的工作状态。其中, 对带刚梁(在1/2梁高处设有水平缝) 的双肢抗震墙[3], 通过优化分析得知, 刚性连梁的最佳位置约在抗震墙总高度的1/2处, 刚性连梁的弯曲刚度

40西安矿业学院学报　　　　　　　　　1999年　宜等于普通连梁弯曲刚度的100倍左右。如此设计的抗震墙, 在弹性阶段, 整体性增强, 侧向变形减小, 比普通联肢抗震墙具有更强的抗侧向力能力, 在弹塑性阶段, 刚性连梁将被分成两根1/2跨高比的小梁协同工作, 抗震墙侧向刚度减小, 延性和耗能能力增加。调整刚性连梁的位置、弯曲刚度和配筋率等参数, 可控制普通连梁和刚性连梁的内力分布及梁端开裂和屈服顺序, 从而达到控制整个剪力墙的工作状态。

4　今后的研究方向

1) 建立延性耗能构件的力学模型, 为对这种构件的位置、种构件的整体结构进行分析提供依据; 确定延性耗能构件的强度、性、配筋方式和数量、受力特点等参数的定量关系研究。

2) 、劲性砼梁柱节点等。

3) (如基底最大剪力和最大滑移量的确定) 及构。另外, 如何结合正常使用荷载、风载和小, 还尚待解决。

4) 结构控制与减震设计的各种方法各有优缺点, 必须结合具体情况选择其中几种进行优化组合。今后较有发展前景的抗震方法可能是:动力优化设计与可变结构的结合; 可变结构与阻震的结合; 可变结构与隔震的结合; 动力优化设计与可变结构及阻震的结合。参考文献:

[1]　王崇昌, 等. 钢筋砼弹塑性抗震结构的机构控制理论[J].西安冶金建筑学院学报,1986, (2) :1～

11.

[2]　赖毅, 等. 带人工塑性铰的砼单元框架的动力试验与系统识别[J], 西安冶金建筑学院学报,1988,

(4) :25～33.

[3]　王崇昌, 等. 钢筋砼剪力墙的延性[J].西安冶金建筑学院学报,1987, (1) :15～33.

ON THE CONTROL AN D SH OCK ABSORPTION DESIGN

THE RESEARCHE OF STRUCTURE

Zheng S hansuo

(Dept. of cons. Eng. ,Xi ’an Univ. of Arch. &Tech. Xi ’an 711055)

Abstract :Based on the simple introduction of some practical methods of the control and shock absorption design of structure , and in combination with the review on some recent achievements in research ,the optimal design of antiseismic structure and prospects of research are investigated.

K eyw ords :structure ; control ; shock absorption ; optimal design of antiseismic structure