土木工程结构抗震性能原理分析与结构减震技术

【摘 要】地震是较为严重的自然灾害，其对土木工程的影响较大。传统的抗震设计主要是增强结构的强度来对抗地震，此种思路已经被性能抗震与结构减震技术所替代，人们所追求的已经不是最为坚固的建筑而是可以消除或者降低地震破坏的结构形式与设计理念。

【关键词】抗震设计；性能减震；结构减震思路；结构减震技术

1 土木工程结构抗震性能原理分析

1.1 基本原理

当代土木工程抗震的研究已经进入到了一个新的阶段，人们对位移、能量等对建筑的影响进行了深入的研究。在上个世纪的末期学者对地震的研究中提出了性能抗震的设计方式，即土木减震结构在设计中满足使用功能外，利用不同的位移指标对结构进行性能调整，从而产生抗震效果。此种结构设计实际上就是对地震破坏进行定量或者半定量的控制，对地震的反应和损伤程度进行评价与预防，使其在预期的控制范围，从而在最经济的条件下控制地震造成的负面影响，其不仅仅可以保证生命安全也可以从性能目标上对建筑结构进行控制。性能目标所包括的有土木工程的场地、结构、重要性、投资效益、地震损失与重建因素等，以此对不同的抗震设计要求可以规定其结构到达适当的性能标准，即土木工程结构在某一个地震设防的水准下达到最大的损伤程度。同时其控制可以从土木工程的经济性上进行控制，即出现损坏时降低其使用功能与恢复的费用，将损失控制在最小。

目前结构抗震性能设计的方法有：承载力、位移分析、能量设计等，这些设计方式所考虑的基础不同也就形成了不同的结构抗震设计结果。基于承载力的设计已经成为了国际规范采用的主要设计标准。能量设计则是在上个世纪中期被提出，提出结构和内部设施被破坏的程度是由地震所产生的输入能量与结构消耗能量共同作用而形成最终的破坏结果，此方法可以直接对结构损坏情况进行评估，但是参数的选择则比较困难，因为无法选定一个相对固定的标准，因此使用起来较为困难。

1.2 性能设计理念

所谓性能抗震是设计就是先选定一个标准，将其确定为设计的目标，利用恰当的设计形式与合理的规划与结构选择、比例确定。保证土木工程的结构与非结构的细部构造设计更加合理，并控制其建造的质量与维护措施，使得工程在一定等级的地震影响下将破坏控制在一定的范围内。总结国内外的性能抗震设计思路主要有：对工程的整体结构进行合理协调；确定建筑的性能水平与性能目标，并保证其合理；概念性设计与西部抗震构造的结合；合理设计方法实现合理的性能目标等。

2 结构性减震技术

2.1 结构减震的基本原理

减震的思路是根据结构的地震反应，通过自动控制或者执行系统，主动的对结构施加一定的控制力，达到减小地震对结构的负面影响。从控制理论上看结构减震的方式主要有两种：一是被动控制技术，此种方法没有外部能源的供给，也称之为无源控制技术。主要包括了隔震与减震两种。主动控制技术则是为系统提供能源供给，也是一种有源减震技术。

2.2 减震技术的优势

目前在实际的土木工程中应用的减震技术有隔震与减震，其中隔震的措施应用较为广泛。此两种方式研究与应用都起始于上个世纪中期，末期技术提高了发展的速度与研究水平。这些积极的结构抗震方法与传统的消极抗震方式相比较优势如下：

2.2.1 结构性抗震与减震可以大幅度降低结构在地震作用中的变形，尽量使非结构件产生较少的破坏，从而减少震后的维修成本，对于一些典型的现代建筑非结构部分如：幕墙、饰面、公用设施等造价逐步提高，甚至可以达到建筑造价的五成以上，因此减少其损坏有现实意义。

2.2.2 可以大幅度降低结构部件受到的地震的影响，从而降低结构抗震的成本支出，提高结构抗震的可靠性。同时隔震方法可以准确的控制传导至结构上的最大地震应力，从而克服了设计抗震结构的难度，不需要准确确定载荷。

2.2.3 隔震与减震设施在地震后会产生变形与损坏，对其进行复位与修理也相对与结构修复更加的简单与经济，因此可以降低建筑震后的恢复费用。

2.3 结构减震的适应性

在对结构减震的实践中，证明采用隔震结合消能减震的技术可以对高烈度的地震进行防范，在7度的地震中检测表明其土木工程结构所承受的地震作用大致相当与5.5级的地震烈度对建筑产生的破坏性影响，其结构在遭遇地震的时候工作范围仍然在弹性范围内，降低了结构在地震中产生的加速度、位移、速度等不良反应，从而减轻或者消除了结构部件的损坏，对土木工程起到了很好的保护效果。同时将隔震与消能减震的设计可以将非线性与大变形组件统一进行控制与保护，利用阻尼器与隔震支座对其进行保护，这样就可以将设计、试验、建造的重点放在这些构件上，使得减震设计更加的具有目的性。因为结构处在弹性变形中因此对其进行分析与设计就更加的简单，分析结果越发可靠。

3 结束语

结构减震的技术从提出到今天已经有了长足的进步，在着几十年的时间里证明其相对于延性设计的方法而言，结构减震技术可以认为是对传统抗震设计的变革。全球多个地区的学者对此都作出了贡献，他们在此研究领域作出了大量的试验与理论研究，整个研究呈现出多元化发展的局面，且都获得了一定的成果。如：日本的学者在减震理论、设计方法、产品开发等方面都处在较为先进的位置。结构减震对地震破坏的控制理论种类多样，而产生的减震装置也类型众多，减震控制技术已经可以应用在大多数的土木工程中，从桥梁到建筑，从多层结构到高层结构，从钢筋混凝土结构到钢结构。在众多结构减震技术中研究成果较为成熟且应用广泛的就是前面提及的隔震与消能减震技术。其中隔震的技术在各类型的减震技术中效果较好，但是其应用的范围较为狭窄，对于超高层或者高宽比较大的土木工程建筑并不适用，因此其研究的方向集中在：高程减震的隔震设计理论与方法研究；从土体-基础-结构共同协调作用入手的隔震结构的受力分析；高阻尼橡胶减震设施、位移支座的开发等。虽然消能减震技术的抗震效果不如隔震技术措施，但是其应用的范围广泛，目前研究发展的重点是：消能减震结构的应用设计；隔震阻尼其的研发与标准化制定。总之，未来的抗震结构设计应在消除地震负面影响的思路上发展，并以此为基础设计出更加实用的隔震与减震结构，保证建筑在地震中受到的破坏最小。

参考文献：

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