建筑结构隔震与减震控制施工技术6587

建筑结构隔震与减震控制关键技术

1．概况

建筑结构减振防灾关键技术是利用控制理论的基本思想，通过在建筑结构上附加隔减震装置，通过对地震、强风等动力作用的抑制和利用，实现提高建筑结构综合防灾能力，保障人民生命和财产安全，减轻和避免地震等自然灾害对建筑结构损伤作用的目的。本项目根据国内建筑结构的特点和我国处于高烈度地震多发区的客观情况，以先进实用的隔震与减振装置开发为重点，立足于工程应用和产学研联合，经过多年的研究开发与技术攻关，开发了系列的具有自主知识产权的新型的隔震与减振装置，对这些装置进行了系统的理论和实验研究工作，提出了若干分析计算算法，并在具体工程中得到试点应用。形成了从设计和验算方法、配套装置到施工方法的完整系统的科技成果。在减隔震体系分析设计理论和算法方面，形成了建筑结构地震反应机理与评价、减隔振系统模型与分析计算方法、主动智能半主动控制算法三部分共十项理论成果，对于抗震设计具有一定的指导意义和参考价值；在新型减隔震控制装置方面，根据使用对象和控制目标研制了包括新型隔震控制装置、新型耗能减振控制装置、智能型和其他控制装置三类十种装置；在减隔震技术的产业化与技术标准化方面，通过积极的工程推广应用，不仅发现和解决了理论上和试验条件下难以显现的工程技术问题，并且积累了加工和施工经验，培育和锻炼了相关设计、生产和施工队伍，为我国隔震和减振技术的普及打下了基础。

２.科技成果内容

本项目在国家计委重点科技项目（攻关）计划专题（编号*****）、国家自然科学基金项目（编号*****）、****筑总公司科技研究开发计划等科研课题的支持下，通过***建设集团有限公司、*****集团有限公司等科研院校和企事业单位近30名科研人员历时10余年的不懈努力和联合攻关，对建筑结构地震和风致振动控制的基本理论和方法进行了研究，发展和完善了建筑结构减隔震（振）控制的理论体系和相应的实用设计方法，研制了多种性能优异的具有自主知识产权的新型减隔震控制装置，研制了多种性能优异的具有自主知识产权的新型减隔震控制装置，形成了从设计和验算方法、配套装置到施工方法的完整系统的科技成果，部分已应用于北京****（****办公楼）等近20余项实际工程，推动了结构减振

控制在我国的推广应用进程。

２.１减隔震体系分析设计理论和算法

充分考察建筑结构在地震作用下的反应机理和隔震与减振装置的力学模型是有效实施隔震与减振控制的基本前提。本项目立足国内外研究前沿，对建筑结构抗震、隔震和减振理论和算法开展了全面的研究工作，不仅针对被动控制体系提出了相应的设计计算方法，对主动/半主动控制体系的智能控制策略也开展了大量的研究工作，形成了建筑结构地震反应机理与评价、减隔振系统模型与分析计算方法、主动智能半主动控制算法三部分内容，研究成果对于抗震设计具有一定的指导意义和参考价值。

２.１.１建筑结构地震反应机理与评价

（１）在不同服役期内结构抗震设防水准的简化计算方法

我国现行建筑抗震设计规范以50年为设计的基准期，要求结构在此期间满足具备正常的服役性能。显然这种标准服役期是针对大多数普通建筑物而言的，不同的建筑物所要求的服役期长短可能会有所不同。关于抗震设防烈度和对应的地震重现期（与超越概率对应）的规定以“中震”(基本烈度地震)烈度为基础来确定“小震”和“大震”对应的烈度，“小震”和“大震”的概率含义实际是平均意义上的一种人为的约定，对于给定的地区或场地，如果明确规定“小震”和“大震”的重现期分别为50年和1975年，相应的烈度就不能保持比“中震”减小1.55度和“大震”增加1.00度，反之，如果“小震”和“大震”明确为比“中震”减小1.55度和增加1.00度，相应的重现期就不能保持为50年和1975年，这是抗震设计规范中设防水准概率含义中存在的不明确的一方面。目前抗震设防标准中的“三水准二阶段”设计，名义上以“小震”时的抗震强度验算为主要对象，由于其概率水准并不是“小震”时的实际值，而是发生基本烈度地震的概率水准，因此是在一定延性要求之下对基本烈度地震的验算。工程界迫切希望有一个简单的抗震设防水准估计方法，以便了解设防烈度随服役期的变化规律，因此本项目假定“小震”和“大震”的概率定义是确定的，与“中震”相比其烈度差异在平均意义上分别为-1.55和+1.00度(对9度区为+0.50度)。基于“小震”和“大震”间的近似比例关系，通过二次项插值得到了不同概率水准(重现期)

的设防烈度和抗震设计地震动参数的实用计算公式。所提出的对不同服役期内设防烈度的估计方法，可用于重大工程的方案和初步设计和一般工程的抗震设计。

（２）基于反应谱的复振型叠加方法

大量工程实践表明，尽管依据现行抗震规范设计的建筑物在地震作用下可以有效避免人员伤亡和控制结构的破坏程度，然而由于性能下降和维修耗资所造成的经济损失却往往很大。正因如此，基于性能的抗震设计理论日益受到重视。基于性能的抗震设计的基本目标是要全面考虑地震可能造成的各种危害，有针对性地采取防范措施，与传统的抗震设计相比，主要体现了精细化、数量化和多样化（性能目标和设计标准）的特点，将以经验为基础的设计上升到理性和定量的设计。

本成果结合消能减振系统发展了抗震性能设计方法，提出了基于复振型结构地震反应解耦技术，发展了大阻尼系统的地震反应振型分解理论。研究了一般非正交阻尼结构在地震地面运动影响下的动力反应分析方法，此方法将复振型地震响应叠加解中关于余弦函数的杜哈美积分表示为该相应模态地震位移和速度响应的线性组合。本项目研究中提出的基于反应谱的复振型叠加法（建立于复振型分解理论的基础上）对于按照抗震规范设有消能阻尼器的减震系统如何有效进行地震反应分析具有重要的理论意义和实用价值。

为了计算的方便，通常假定实际工程结构的阻尼特性为系统质量和刚度矩阵的线性组合，即所谓的瑞利阻尼，从而可以使问题按经典无阻尼振型解耦。实践表明，比例阻尼的假定对阻尼较小、质量和刚度分布比较均匀的建筑物是可以接受的，此时，系统动力学问题可以近似按经典振型解耦，进而求解体系反应。然而当动力系统的上述特性分布很不均匀时，比例阻尼结构假定会给系统动力反应分析带来显著的误差。随着阻尼器的广泛应用，结构的阻尼可以比较大，并能按照设计要求设置。这已成为改善结构抗震性能的重要手段。在这种情况下非比例阻尼问题也可以看成是抗震性能设计的一个组成部分。另外，对于非比例阻尼体系，用经典振型分解，使各振型广义坐标硬性解耦，然而可能即使考虑了所截取振型广义坐标间的相关，有时也会产生较大的误差。因此采用理论上严谨的复振