基于分灾模式的结构防灾减灾设计概念初探

基于分灾模式的结构防灾减灾设计概念初探

张明

（沈阳都市建筑设计有限公司，辽宁，沈阳，110015）

【摘要】随着我国经济的不断发展，在却经济效益的同时，对环境也造成的破坏，经济的人发展是以牺牲环境为基础的。环境遭到破坏很容易引起自然灾害的发生，必须建立起一种有效的机制做好自然灾害的防灾减灾工作。本文简要回顾了结构防灾减灾设计概念的发展；从结构的分灾元件、分灾模式、分灾模式与结构控制的关系等方面，系统研究了“基于分灾模式的结构防灾减灾设计概念”讨论了分灾模式与结构控制的关系。

【关键词】分灾模式；防灾减灾；设计概念

引言：

自然灾害的发生是无法完全避免的，随着科学技术的发展以及人们对各种自然灾害的发生机理和成灾模式认识的加深，人类有可能采取更加安全、有效、合理、经济的防灾减灾设计方法，减轻灾害造成的损失，由于结构的防灾减灾设计中存在着大量不确定因素，要想通过计算设计使结构在未来一定时期内能完全抵御各种自然灾害而保持结构不破坏，是不现实的，甚至是不可能的，而且这样做也是不经济的。因此，建立合理的结构设计概念，使结构以较低的造价，得到较高的安全性能，具有非常重要的意义。

1结构防灾减灾设计概念的发展

经过长期的科学研究和工程实践的不断发展，人们关于结构防灾减灾设计的概念也经历了一系列的发展变化，主要有以下这些设计概念(以地震灾害为例):

“柔性结构体系”设计概念:这种设计虽然对作用于结构的地震荷载强度进行了有效地减少，但在大震作用力下会使结构遭到破坏，甚至造成倒塌事故;在小震及常规荷载作用下，又会由于刚度过低而很难满足结构的正常使用需求，对于“底层柔性结构体系”，在地震作用下，虽然它能够有效减小上部结构的地震反应，并通过底层的非弹性变形消耗地震能量，但往往由于结构底层变形过大而导致整个结构的倒塌。

“延性结构体系”设计概念:这是目前采用较为普遍的设计概念，即对结构刚度进行适当控制，在地震时使结构构件进入非弹性变形状态，以消耗由于地震产生能量，保证不会造成结构的倒塌，这种设计也存在着一定的局限性:有些重要结构的承重构件不允许进入非弹性变形状态；一般结构的承重构件虽然允许进入非弹性变形状态，但造成的破坏很难进行修复；承重构件的非弹性变形将会对于内部有贵重仪器的一些结构导致仪器损坏或无法正常工作，造成很大的间接经济损失。

“结构控制体系”设计概念:这是近20年发展起来的，是结构防灾减灾设计概念的一次重大突破，通过在结构上设置控制机构，由控制机构和结构共同抵御地震及风载的作用，结构控制分为主动控制、被动控制和混合控制，近年来，结构控制在理论研究和模型试验等方面都取得了很大的进展，一些国家还建起了利用结构控制技术的建筑和桥梁，目前结构控制在土木工程的实际应用中，还存在以下一些问题:①主动控制措施虽然具有良好的适应性，由于土木结构本身具有非常巨大的质量，所以需要的外部能量也会很大，这是很难在实际灾害发生时能够保证的，②许多被动控制措施，在小震和常规风载作用下，对于结构加速度的减小和位移反应、提高居住者的舒适度方面，会产生较好的使用效果；在大震和飓风等严重灾害作用下，对于保证结构的安全性，使结构不遭受破坏方面，效果却不是很理想。③目前绝大部分研究衡量控制效果的目标函数都是以结构的某一动力反应(加速度或位移)进行的，很少从结构造价、损失期望及结构控制系统造价等经济指标方面进行考虑；而这些经济指标的合理性，也是影响在实际工程中使结构控制设计能否得到广泛应用的一个重要因素。

2基于分灾模式的结构防灾减灾设计概念

2.1分灾元件与分灾模式

结构体系的分灾功能部分由分灾元件构成，包括:①分灾构件，是具有良好阻尼特性的耗能构件，一般由普通构件附加阻尼耗能装置组成，在非灾害荷载作用下，分灾耗能构件起支撑或连接作用，其和普通构建是一样的;在灾害荷载作用下，分灾耗能构件对能量的耗散使通过自身的非弹性变形来实现的。②分灾子结构，整个结构体系的附属子结构，它本身可以由耗能构件组成或具有一定的分灾构造措施，在非灾害荷载作用下，分灾子结构协同主结构一起对整个结构体系的正常使用功能进行维护；在灾害荷载作用下，将外界输入到主结构的能量通过一定的分灾模式传递到分灾子结构，由分灾子结构发挥分灾功能，从而保证主结构的安全。③分灾构造措施，有些结构体系的分灾功能部分是一种分灾构造措施，在非灾害荷载作用下，该构造措施不会发挥作用;在灾害荷载作用下，该构造措施开始充分发挥分灾作用，分灾元件通过不同的分灾模式。为结构提供了两道防线:一是分灾元件通过自身的变形耗能能力，消耗输入到结构的能量，保证结构的安全；二是当分灾元件达到其耗能极限后发生破坏，使结构的动力特性发生变化，减少了外界能量输入，有利于结构的主要功能部分继续抵御灾害作用。

2.2分灾模式与结构控制的关系

分灾模式与结构控制这两种设计概念既有联系又有区别：①分灾模式主要是通过分灾耗能构件、分灾子结构或分灾构造措施，实现结构的防灾减灾目的；而结构控制包括主动控制、被动控制和混合控制等多种控制措施。②分灾模式的设计概念着眼于结构在灾害荷载下的防灾减灾功能，同时兼顾结构在非灾害荷载下的各种正常使用功能；而目前许多的结构控制措施在非灾害荷载作用下提高舒适度方面效果较好，在灾害荷载作用下的防灾减灾效果却不理想。③分灾模式设计从本质上讲属于被动的措施，不需要外部能源去启动，当灾害发生时，分灾元件会根据灾害荷载的强度，通过变形直至破坏，自动启动第一和第二道防线(耗能和改变结构动力特性)。在利用耗能减灾这一点上，分灾模式与被动控制的阻尼耗能有着共性。④对于分灾元件的分灾子结构，为了更好地达到分灾目的，除阻尼耗能外，有时还可以采用一些其他的简单被动控制措施。

3结束语

我国是一个发展中国家，又是一个灾害发生较为频繁的国家；寻求一种既有良好的防灾减灾效果，又符合我国经济发展水平的结构防灾减灾设计策略，是我国广大科技人员所面临的一项紧迫的、艰巨的任务，“基于分灾模式的结构防灾减灾设计概念”正是作为一种探索与尝试，它具有设计思想科学合理、防灾减灾效果明显、设计方法简单易行、成本造价较为低廉等特点，作者希望分灾模式的防灾减灾设计概念能够有助于我国的结构防灾减灾，使人民的生命财产在灾害发生时免于遭受重大损失。

参考文献：

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[2]苏原，赵崇丰，吴晟，基于分灾模式的抗震加固设计概念初探[J]，建筑结构，2010，S2:103-106，

[3]李刚，程耿东，基于分灾模式的结构防灾减灾设计概念的再思考[J]，大连理工大学学报，1998，01:14-19，