从能量的利用角度来说_基于能量的角度对结构概念的思考

　　摘 要：介绍了最小作用量原理，从能量的角度探讨了控制扭转周期的原因；分析了刚度和变形协调统一的新途径——增设阻尼器；指出了结构概念培养的重要性。　　关键词：能量；周期比；刚度；阻尼器
　　
　　引言
　　任何物质运动的规律都与自然界的某种能量变化相关。如“水往低处流”的例子就是重力势能作用的结果。结构的各种工作性态反映了一种物质体系的运动形式，与蕴藏在结构内部的某种能量变化有关，结构的真实性态往往反映了某种能量的极值状态。这也就是说，可以通过研究结构能量的变化来确定结构的受力状态。
　　1 最小作用量原理
　　作为研究光线的反射和折射的结果，费尔马曾得出这样的结论：“自然界总是通过最短的途径发生作用的。”此后，莫培督在其1744年的一片著名论文中宣布了一个原理，他称之为“最小作用量原理。”他用这样几句话说明了这个原理：“自然界总是通过最简单的方法产生起作用的。如果一个物体必须没有任何阻碍地从这一点到另一点——自然界就利用最短的途径和最快的速度来引导它。”简单地说这意味着任何不受影响的动力学系统在发生变化时，其变化方式总是使有关的作用量为最小。在对物理实在（现象）的观察中，科学家们相信，对于不同的观察者物理实在可以不同，但其物理实在的结构（规律）必定是相同的。物理学中描述物理实在结构的方法之一就是作用量方法。这种方法从功能角度去考察和比较客体一切可能的运动（经历），认为客体的实际运动（经历）可以由作用量求极值得出，是其中作用量最小的那个。这个原理称为最小作用量原理。通俗的讲，自然界是不做多余的事情的[1]。
　　2 第一振型是平动的原因思考
　　《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）3.4.5条“结构平面布置应减少扭转的影响》………，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑，超过A级高度的混合结构及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。”此条规定主要是限制结构的扭转效应。因为国内、外历次大地震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构，在地震中遭受到严重的破坏。同时国内一些振动台模型试验结果也表明，过度的扭转效应会导致结构的严重破坏[2][3]。
　　我们平时设计时使用软件分析时的操作是，看一下第一、二阶振动是否为平动，第三（扭转）阶振型与第一阶振型（平动）的周期比是否满足规范的要求。这只是按规范进行形式上的操作，背后的力学本质或者物理现象的本质是什么呢？一个结构在地震激励下，会发生振动，振动的形态有平动和扭转。根据最小作用量原理，那显然是需要能量最小的振动模态先被激发，接能量大小依次排序，而结构的第一周期也是最容易激发的（即能量最小），并且按第一、二、三…振型排列[4][5]。那我们就可以理解为什么扭转振型不能靠前，起码不能出现在第一振型，因为扭转对结构破坏大，所以我们要让其不易激发，这样有利于结构避免不利情况。规范规定Tt/ T1<0.9就是为了让对结构产生作用的能量中的大部分只够激起结构的平动而不是扭转。
　　3 刚度和变形的协调统一
　　《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）3.5节提出了一些对结构竖向布置的要求[2]。历次地震震害表明：结构刚度沿竖向突变、外形外挑或内收等，都会产生某些楼层的变形过分集中，出现严重震害甚至倒塌。同时，楼层抗侧力结构的承载能力突变将导致薄弱层破坏。
　　地震释放出来的能量以波的形式从震源向各个方向传播，从而引发建筑结构的振动，建筑物的振动其实就是个消耗能量的过程。能量即做功，功=力×位移，我们从物理学中的胡克定律可知，力=刚度×位移[6][7]。能量在结构中进行分配，最终体现到形式上就是对构件的作用力。假设力是一定的当量，刚度大则位移小，反之，刚度小则位移大。
　　随着经济的飞速发展，我国正进行着前所未有的大规模的经济建设和基础设施的建设。现代高层建筑特别是超高层建筑发展迅速，规模越来越大，形式越来越多样化，这是有目共睹的。为了满足建筑功能的要求，大空间及大转换等不可避免的造成竖向构件不连续。由于建筑功能的限制使得竖向构件布置不易进行调整，在作用的能量一定的情况下，易造成局部一层或几层的大变形或大位移。在这种情况下，如何控制以满足规范的要求呢？由能量的观点，可以通过附加阻尼器的方法[8]分担一部分能量，使结构构件承担更小的能量，其发生的位移变形也即降下来了。通过阻尼器的调整可使结构变形和位移满足规范的要求，问题便迎刃而解。
　　4 结束语
　　年轻工程师在运用计算机软件针对给定的结构模型进行计算分析方面往往比较熟练，但是针对实际工程问题自行建立正确合理的结构模型就可能出现困难；对于得出的计算结果往往盲目相信，而疏于必要的综合考察与分析，无法判断其正确性和合理性，更不用说从中提炼出进一步的结构概念。这样，我们在从事设计工作中就可能长期陷于“设计匠”的悲惨情况，而难于较快地成长为善于进行“概念设计”的创新型工程师。因此，工程师对一些结构基本概念和规范条文的本质深入理解是十分必要的，而不是当一个和执行条文的教条式工程师，只有深入理解结构概念才有利于工程师设计出更安全、经济与美观的作品。
　　参考文献
　　[1] http：//
　　[2] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
　　[3] 林同炎，S?D?斯多台斯伯利 著.高立人，方鄂华，钱稼茹 译.结构概念和体系（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.
　　[4] 黄真，林少培.现代结构设计的概念与方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.
　　[5] 季天健，Adrian Bell著.武岳，孙晓颖，李强 译。感知结构概念[M].高等教育出版社，2009.
　　[6] 吴家龙.弹性力学[M].高等教育出版社，2001.
　　[7] 爱德华?L?威尔逊 著.北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院 译.结构静力与动力分析[M].中国建筑工业出版社，2006.
　　[8] T.T.Soong G.F.Dargush著.董平译.结构工程中的被动消能系统[M].科学出版社，2005.
　　作者简介：
　　彭水淋（1986～），男，江西人，硕士，主要从事结构减震控制研究与设计工作。