土木工程减震技术及其应用 覃江龙

土木工程减震技术及其应用覃江龙

摘要：随着地震灾害的频繁发生，人们在土木工程施工中也必须要将抗震性能

放在一个重要的位置，目前，土木工程的结构减震是防灾减震最有效的方法之一，并且在实际应用中也取得了非常好的效果。通过对土木工程结构减震控制方法的

研究和应用，建筑在受到地震灾害时所受到的破坏就会降到最低。

关键词：土木工程；结构减震；原理；应用

1 减震控制采用的方法原理

建筑结构的抗震效果主要是通过对建筑中某个部位来加入防震设置来起到防

震的作用，如果发生强烈的振动，那么抗震结构装置就会主动的对外来施加的压

力进行力的调整，从而降低外力对整个建筑结构产生的强烈反应，而这一系列措

施和方法在强烈的振动下才能够表现出来，这不仅能够起到稳定建筑整体结构的

作用，同时也可以有效的保证建筑的使用安全，对于提高建筑的使用寿命也有着

一定的效果。

2 土木工程结构减震的应用分析

2.1 被动控制。结构减震的被动控制主要是利用减震以及隔震装置来对振动的能量进行消耗，振动在建筑中传播时碰到减震和隔震装置就能够被停止，采用被

动控制的方法相对较为简单，并且有着成本低以及维护方便等特点，在应用过程

中表现出的效果也非常明显，因此目前很多土木工程中都广泛采用被动控制的减

震措施。

2.1.1 耗能减震。耗能减震的主要原理是将振动所产生的能量加以消耗，从而

避免振动给建筑结构产生较大的作用力。这种方法需要在建筑结构中加入耗能的

部件，也可以在建筑结构的某些部位设置阻尼器来作为耗能减震的主要装置，一

旦建筑受到外力的干扰，那么耗能减震的部件就会进入到弹性的状态，外来的作

用力经过弹性部件的消耗后就会大大降低，同时一些荷载以及振动的作用在进入

到结构中时，也可以产生非常好的保护作用，这样对于稳定建筑的整体结构也有

着非常好的效果。而耗能装置也有着不同的种类，并且按照需求的不同也可以将

其分为不同的体系，其中一种为耗能构件减震体系，主要包括了有耗能支撑、耗

能剪力墙等。还有一种是阻尼器耗能减震体系，其中包括了金属屈服阻尼器、摩

擦阻尼器以及弹性阻尼器等等。

2.1.2 基础隔震。基础隔震相比耗能隔震在建筑上的部位也有着一定的差异，

通常情况下，基础隔震会设置在上部结构和基础之间，主要是对地面产生的振动

传输进行阻隔，这样上部的震动力就会大大降低，从而避免地震灾害给建筑产生

的危害。基础隔震装置在设置过程中需要满足一定的特性才可以加入到建筑结构

当中，因此隔震装置必须要有着较大的变形能力，并且能够提供较大的耗能，这

样才能够更好的保证建筑结构的稳定性。

2.1.3 调谐减震。调谐减震是在建筑的主体结构中增加一些子结构，让整体结

构在受到震动的情况下降震动力转移到子结构中，这样震动能量在建筑结构中就

会进行重新的分配，主结构所承受的振动能量也会相对减少，从而起到抗震保护

的作用。目前调谐减震系统中常用的主要有调谐质量阻尼器、模式质量阻尼器以

及调谐液体阻尼器等不同类型，在应用过程中也都有着非常好的表现效果。

2.2 主动控制。建筑结构的主动控制相比被动控制在原理上有着很大的区别，结构的主动控制主要是通过外部能源来降低振动过程中产生的作用力，从而有效

的避免振动反应给建筑结构带来的影响。主动控制系统中包括了传感器、控制器

以及作动器三个部分，其中传感器有着测量结构反应或者外部激励信息的作用，而控制器能够处理传感器测量的信息，从而实现所需要的控制律，并且作为输出作动器的指令。主动控制不仅是现代控制理论的重要研究成果，同时也是科技创新发展的结晶。在主动控制中，作动器的控制力可连续变化，所以其有着极广的控制频率，对外界不同激励具有很强的适应性，能够取得很好的控制效果。常用的主动控制系统装置主要有主动质量阻尼器、主动支撑系统、主动拉锁系统等。

2.3 半主动控制。半主动的控制是属于一个参数的控制，其控制的过程完全的依赖于外部激励以及结构反应的信息，进而再通过少量的能量而实时的改变结构的阻尼或是刚度等等的参数来减小结构的反应。半主动的控制根本就不需要大量外部能源的输入来直接性的提供一个控制力，只是其实施控制力的作动器就得需要少量的能量调节，这样就可以使得其可以主动的利用结构振动的往复相对速度或是变形，在最大程度上来充分的实现主动最优控制力。其中常见的半主动控制系统有变刚度变阻尼系统（AVSD）、可变阻尼系统（AVD）、可变刚度系统（AVS）以及主动调谐参数质量阻尼系统（AT-MD）等等。

2.4 混合控制。混合控制是将主动控制和被动控制联合起来应用，即将主动控制和被动控制同时应用于同一建筑结构减震中，可以将主动控制和被动控制两种方法的优点充分发挥出来，弥补了单一控制方法的制约和不足，只需要小功率的能量输入就能直接提供控制力，控制效果非常明显，调谐范围得以扩大，结构抗震系统的稳定性、实用性和安全性大大提升。

2.5 智能控制。在土木工程结构减震方法中还有一种叫做智能控制算法，这种方法不依赖精确的结构模型，而且具有很强的学习及调整逼近能力。

3 建筑结构减震技术

3.1 消能减震设计原理。消能减震设计主要指的是在抗侧力结构中设置消能装置，根据装置结构局部变形的附加阻尼来消减建筑上部结构的地震能量，保证建筑主体结构在地震作用下不至于造成严重破坏。消能装置由阻尼器及消能支架等构件组成，消能结构一般不用改变建筑的结构，适用性强，抗震安全性能高。

3.2 技术要求。对于那些需要减少地震水平位移的钢结构及钢筋混凝土结构的建筑工程通常要考虑建筑消能减震设计。在建筑减震设计过程中应根据严重地震下的结构移位控制要求标准，合理选取消能部件。消能部件应提供建筑结构的附加阻尼。现有的减震部件主要有：橡胶垫隔震减震器、空气阻尼式减震器、不锈钢丝绳减震器、封闭形减震器等；其中消能部件主要由消能器及斜撑、墙体、节点及梁等支撑构件构成；消能器、斜撑、墙体及节点或梁的连接装置应符合钢结构或钢筋混凝土结构构件的构件连接要求，并能担负消能器施加给连接点的最大值作用力。

4 结构减震控制的最新研究及未来发展趋势

从土木工程的结构减震的控制技术的发展情况来看，在耗能减震与基础隔震方面的研究是比较多的，且方法和理论是较为成熟的，已经在大部分的实际工程之中来有效地加以应用，今后将向更加实用化以及规范化的方向发展。地震波的频谱特性与被动调谐质量减震装置的减震效果紧密相连，对于不同的地震波表现出来的是一个比较大的离散性，其减震的效果的差别是比较大的。

5 结语

总之，结构减震控制技术具有很强的科学性以及技术性。随着土木工程结构的减震技术不断应用与发展，减震系统的造价成本不断得到减低，减震房屋的经济效益与社会效益势必会越来越凸出，也会更加受到人们的青睐。