结构减震设计最优化问题研究

郑维成 贵州水利水电职业技术学院讲师，研究生

地震是不可抗拒的自然灾害，会严重破坏地形和各种建筑，给人类造成巨大的生命危害和财产损失。地震灾害造成的各种建筑物毁坏，使人们清楚地认识到建筑物应具有足够的抗震能力[1]。

1 建筑结构减震概述

建筑物的抗震减震性能与阻尼有着直接关系，建筑物的阻尼大小对于消耗地震能量有着重要作用。减震措施正是利用这一点，通过增加建筑的阻尼来消耗地震来时的地震能量，从而保护主题结构免受震害或减轻震害。

一般效能构建应设在结构的两个主轴方向，这样可使两个方向的阻尼和刚度都有附加。在高层建筑设计中，要充分利用这一功能，适当调整建筑设施内部的阻尼值，利用建筑设施的阻尼来降低地震带来的损害[2]。

为了更好地保证主体建筑的稳定性和抗震性，使其能最大限度地抵御地震带来的灾害，建筑减震已成为建筑行业的发展趋势。

我国发生过几次重大地震后，越来越重视建筑内部的抗震和减震设计，减少建筑物的结构变形，对主体结构进行全面保护，以防建筑遭到严重的损坏。

2 建筑结构设计方式

2.1 建设地基时应用特殊材料

为了减少地震波对建筑的负面影响，必须保证地基的减震、基础设施的特殊加工和垫层的铺设。铺垫的材料通常为沙子、黏土等建筑材料[3]。通过这些办法来减缓地震带来的影响，以地震能消耗为主要形式，确保建筑的安全和稳定。

2.2 基础减震

减震措施应设在基座或主体结构中，这种减震设计相对来说属于是比较传统的，因此在施工过程中会出现严重的缺点。该方法主要适用于个别地区的设施，如果将其应用于高层建筑，不仅达不到更高的抗震强度，而且能延长建筑工程的自然地震周期。所以，根据实际情况，技术人员应在建筑中采取减震措施，防止地震来临时给广大人民群众带来人身危害和财产损失[4]。

2.3 结构悬挂减震

在建筑中应用结构悬挂减震措施，可以降低地震发生时给建筑结构和经济带来的损耗。地震发生时，悬挂结构不会受到地震的破坏，建筑物的破坏程度可以降至最低。结构悬挂措施主要应用于大型钢结构建筑，结构悬挂减震原理是在地震中随着地壳的运动摆动结构的主体框架，并用链条将其连接起来，使之更好地发挥作用[5]。如果地震转移到相应的部位，地震带来的震动也可以逐渐转移。这种隔离措施可以减少地震对建筑设施造成的破坏，但其负荷大，不适用于一般建筑设施。

2.4 控制受损构件

对结构断裂的分析表明，应控制受损构件，使其达到预期的形式，以控制损伤效应，并且建筑结构应足够坚固、耐用。在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性带，以控制塑性程度和范围，也是在发生强烈地震时形成能量损失的最佳机制，在一定程度上保障人民生命财产安全。

2.5 梁的延展性设计

当连续梁的跨高比为5 时，连续梁的强度和能量损失性能极为优秀。连续梁两端相对于竖向位移的密度系数大于8，如果连续梁跨宽与高之比减小为1，连续梁两端韧性系数降低至3 左右，滞回曲线非常干燥平坦，而且能耗低、韧性低。一般剪力墙的韧性系数一般在1 左右，要想在弹塑性阶段起到能量损失的作用，必须采取一些措施，以满足韧性和能量损失的要求。其中一个措施是在中心水平面留一个比梁高0.5 倍的高度，通过接缝在水平面上下两侧插入钢板，在钢板上形成椭圆形螺栓孔，最后用高强度螺栓将两块钢板连接起来。在下面竖向荷载、风荷载，共同作用于连续梁的两个部分，为了保持刚性连续梁的总刚度，保证其在弹性阶段工作，发生强烈地震时两块钢板相对滑动，跨高为1 的刚性连续梁将在跨高比为2 的两个小梁中共同工作。该设计方案不仅使韧性系数由3提高到10，而且在一定程度上改善了钢板间滑动的损耗性能。

2.6 建筑中柱的延展性设计

虽然设计师不希望柱上出现塑料铰，但仍然需要一定的弹性和能量耗散能力，以确保建筑不会出现倒塌现象，螺旋箍筋可显著提高柱的强度和轴压强度，可以实现建筑结构本身的延展性，提高构件结构抗震能力。建筑结构耗能设计只能从建筑结构的配置量和建筑材料的种类来实现，以提高建筑结构的抗震性能。

3 建筑中的减震节能结构

目前在建筑控制和减振设计中，存在一些优化问题，如减振器和阻尼器的参数调整和位置优化，人工塑性铰的位置、数量和顺序的优化；建筑破坏构件的控制理论要求：框架结构在中强地震作用下，梁两端只出现塑性铰；在发生大地震时，塑性铰只出现在柱的底部，从而形成辐射式的横向运动机制，并且保持节点始终是弹性的。在减震结构中，中等地震作用下，塑性铰只出现在连接梁的两端，而塑性铰一般只出现在墙的根部，通过对结构的优化分析可知，再出现中等震度时，塑性铰只出现在连续梁的两端，只有在大型地震发生时，塑性铰出现在框架柱的根部。

通过调整梁端刚度与柱端刚度的比值，来保证梁端与柱端连接处延展性。环向刚度的缺陷可通过连接梁、框架、柱、墙来控制，通过对建筑结构的优化分析，在弹性阶段，设计的抗震剪力墙能提高建筑结构的整体性，减小侧向变形，并具有比普通连体剪力墙更强的交叉抗力；在弹塑性阶段，刚性连续梁将折减为两个跨度为0.5 的小梁。

4 建筑结构设计中减震设计措施

4.1 在建筑结构中重视减震设计

随着科技的发展，越来越多的新建筑理念应用于建筑中。随着我国信息技术的不断进步，使人们了解到越来越多的相关信息，也使得人们对建筑的安全性变得高度重视。在建筑物建设过程中，广大群众对建筑物抗震性的关注越来越多，要想提高总抗震能力，就要加强各基础部分，并对相应的建筑物基础部分进行特殊处理，解决相关质量问题。同时，在建筑物的每个部分安装相应的阻尼装置，相应的阻尼可以减轻地震的影响。

4.2 优化建筑加强层设计

加强层是一种在地基上具有足够刚度的水平结构，加强层一般位于结构中心上方，减少了上部结构的侧向位移，从而减小地震灾害的内应力，在高层建筑的施工中必须避免在顶层设置加强层。另外，车间的装甲层也可以使用加强层，满足柱刚度和强柱弱梁的要求。如果高层建筑对抗震结构要求很高，则可以通过多层加固提高核心的刚度。根据高层建筑的结构特点和抗震标准，选择切实可行的优化设计方案。

4.3 加强构建减震措施

地震发生时，大部分建筑都会出现严重程度不一的结构损坏，最严重的就是建筑物内部发生水平位移。所以，必须建立适当的减震层。良好的减震层施工可以保证整个结构没有质量问题，能够最大限度地承受内部结构的水平位移[6]。就整体设计而言，减震配置上应设置减震节点，减震缝的总宽度不能太宽，整个结构不仅要采用竖向减震，还应设计水平减震层。通过建造相应减震节点，可以将地震造成的损害降至最低，以此来保证人们的生命财产安全。

5 结语

在隔震和能消能减震设计中，应注意以下几点：一是隔震装置、消能构件的各项性能参数都要经过专门的试验确定。二是隔震和消能减震装置应设置在便于检查及替换的部位。三是设计人员应注明隔震减震的具体要求，安装、检测和施工都应按照相关的规程进行，保证装置和各项性能都符合要求。随着建筑技术的发展，隔震和消能减震技术的应用越来越广泛。相比传统的抗震技术来讲，隔震和消能减震技术的应用对地震的削弱作用非常明显，对于保证地震时建筑物的安全和人民的生命财产安全具有着重要的意义。我国大部分地区都会遭遇一些地震灾害，为确保我国建筑业的发展质量，在建筑结构设计过程中需要严格进行减震设计，把建筑物的抗震问题放在重要位置，总结各国抗震经验，正确进行建筑抗震设计，从而提高我国建筑结构抗震水平。