現代工程減震技術分析

劉宏昌

（廣東省輕紡建筑設計院，廣東 廣州 510080）

1 前言

我國是多地震國家，地震區分布廣大，歷次大地震給人民生命財產帶來了巨大的損失.傳統的結構抗震設計方法，單純利用提高結構構件自身的抗力來消極地抵抗地震作用，對于隨機性很強、發生概率很小的強震作用，既不經濟也不全面。傳統結構延性抗震設計是將結構的某些部位設計得具有足夠的延性，在強震作用下這些部位形成穩定的塑性鉸，依靠彈塑性變形來耗散地震能量。這種傳統的以“抗”為途徑的抗震設計方法在很多情況下是有效的，然而在強震作用下難以保證結構不損壞，人員、設備、儀器的安全，不符合現階段的基于性能的抗震設計思想。

2 現代抗震技術

現代抗震結構用的是一種“以柔克剛”的思想，即在建筑結構的運動中抵抗地震作用力。它可以從不同角度進行分類，通常按控制系統是否需要外部能源和激勵，可分為四類:被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制。

2.1 被動控制

被動控制是指不需要輸入外部能源的控制技術，其控制過程不依賴結構的振動反應信息及動荷載信息，而是靠被動地吸收或消耗輸入結構的能量來達到減震的目的。被動控制造價低廉，技術簡單，性能可靠，是目前工程實際中應用廣泛的結構控制技術之一。被動控制主要包括基礎隔震、耗能減震和吸能減震技術，及其組合的聯合控制技術。

2.1.1 基礎隔震

基礎隔震技術是通過在上部結構與基礎之間設置隔震層來保證建筑物在地震時的安全和使用功能。這些裝置可以把建筑物上下部分完全或部分分割開，以改變或調整結構的動力特性或動力作用。并且在水平方向為柔性且發生較大變形的情況下，比較剛性而又穩定地承受建筑物的重量。隔震層可設在結構內或結構外。在結構外設隔離層有兩種方法，一種方法是在結構物四周挖很深的槽，可在槽中灌沙或埋入屏蔽板等，將長周期為卓越的那部分表面波隔斷，但這種方法不能屏蔽直下型輸入波的輸入。另一種方法是采用軟弱地基。這種地基有減少地震輸入的效果，但是為了保證對建筑結構有長期支承能力，有必要對地基塑性位移的發生加以限制。隔震層還可設在結構內部，這種結構是現在普遍采用的結構，如在上部建筑物和基礎之間設摩擦滑移隔震層或橡膠隔震支座等。摩擦滑移隔震技術就是通過滑移或滾動隔震層，容許建筑物在發生地震時相對于地面做整體水平滑動，從而限制地震作用向上部結構的傳遞，并通過摩擦（及阻尼限位裝置）耗散地震能量來達到隔離地震的目的。這種摩擦隔震技術簡單易行、造價低廉，其隔震效果主要取決于摩擦系數，且受地面運動頻率特性的影響較小，幾乎不會發生共振現象。但是，純摩擦隔震層的滑移量大，且震后不能自動復位。為克服上述缺點，一種與土建相結合的短柱類隔震技術得到了發展。它綜合利用了摩擦耗能與彈塑性耗能的復合技術，造價低廉，適合施工現場制作、安裝。橡膠隔震支座是二十世紀五十年代出現的一種使隔震技術走向成熟的新技術，它利用橡膠墊較大的豎向剛度來承受上部結構的荷載，并通過其自身的水平柔性來隔離水平地震作用向上部結構的傳遞。目前，隨著國產橡膠墊產品的研制開發成功及產業化規模的形成，橡膠墊隔震技術在我國已進入批量推廣應用階段，并成為隔震技術應用的主流。據統計，僅1997-2000年橡膠墊隔震建筑的數量占整個隔震建筑的90%以上。

2.1.2 耗能減震

耗能減震技術是指通過一定手段，把地震能量削弱減小，使建筑結構在地震中得到保全。我們知道在地震爆發前，地面下的活動斷層下蘊藏著巨大的能量。一種直接的消能法就是在活動斷層上打深孔，往孔中注水，誘發小地震，釋放地震能量。這主要是水減小了斷層上下盤之間的摩擦，使之在較小的地震能量下產生滑動。這種方法技術上不成熟，投資亦大，還沒有到實用階段。耗能減震技術通常采用的方法是在結構中（或附著在結構上）設置耗能構件，即把結構物的某些非承重構件（如支撐，連接件等）設計成消能構件，或在結構的某些部位（層間空間，節點，連接縫等）裝設消能裝置。在風或小地震作用時，這些消能構件處于彈性狀態，使結構物具有足夠側向剛度，當出現中、強地震時，消能構件產生較大阻尼，大量消耗輸入結構的地震能量，使主體結構避免出現明顯的非彈性狀態，迅速衰減結構的地震反應（位移，速度，加速度）。這種技術一方面吸收了傳統的延性結構的設計思想，同時又克服了延性構件損壞后難以修復的缺點，具有性能穩定、技術條件簡單、適用范圍廣、經濟可靠等優點。根據耗能機理的不同，耗能裝置可分為四類:粘滯耗能器、粘彈性耗能器、摩擦耗能器、金屬耗能器。

2.1.3 吸能減震

吸能減震技術是由附加在結構中的子系統吸收結構的一部分振動能量，以減小結構反應的控制技術。但是由于地震的隨機性，且地震波由各種頻率的波混合而成，調諧目標只能控制結構物的某些振型。目前吸能減震裝置主要包括調頻質量阻尼器（TMD）、調頻液體阻尼器（TLD）、液壓質量控制系統（RMS）、質量泵（MP）等。調頻質量阻尼器（TMD）是由彈性元件、阻尼器和質量塊所組成的振動系統，將其固有頻率調整到接近于結構的自振頻率，使結構振動時引起TMD共振，這時它的慣性力又反作用于結構本身，起到減小結構反應的目的。1988年，Clark又提出用大量自振頻率分布于所控結構模態自振頻率附近的小TMD振子來抑制模態的振動。現在TMD的慨念還在不斷擴展，如適用于舊房增層和抗震加固的層間隔震技術，以及利用頂部突出物如水箱、旋轉餐廳等來抑制高層、高聳結構的鞭梢效應等。調頻液體阻尼器（TLD）是利用容器中液體在晃動過程中產生的動液壓力、液體的慣性力及粘性耗能而產生控制力，從而減小結構的反應。TMD通常可與結構的儲水裝置結合使用，簡單易行、經濟可靠。

2.1.4 聯合控制技術

聯合控制是將技術發展己比較成熟的基礎隔震技術與耗能減震（或調頻減震）技術結合起來，這不僅能夠取得更好的控制效果，還拓寬了各項控制技術的適用范圍。比如橡膠墊與摩擦滑移機構的聯合隔震技術。它綜合利用了摩擦滑移機構的阻尼耗能及橡膠墊減小結構水平剛度、延長結構周期的特性來取得好的隔震效果。這種技術有串連和并聯兩種。當橡膠墊與摩擦滑移機構串連時，如地震時基底剪力未超過摩擦力，由橡膠墊起隔震作用；如基底剪力超過摩擦力，滑移層開始滑動，在減震耗能的同時對橡膠墊起保護作用。當橡膠墊與摩擦滑移機構并聯時，結構重力由橡膠墊和滑移件共同承擔，當基底剪力大于滑動摩擦時，橡膠墊就開始發揮作用。由于風載作用、結構物的傾覆及地震后隔震系統殘余變形的影響，基底隔震技術在高層建筑中使用有很多問題，且其對于豎向地震起不到減震的作用，采用聯合控制后則有可能突破上述限制。

2.2 主動控制

主動控制是由外加能源對結構施加控制力來減小結構振動反應的控制技術，即通過傳感器采集結構的動力反應或外荷載信息，反饋至計算機進行分析處理，由計算機按照一定的控制算法來計算施加控制力的大小，再通過電液伺服系統和控制裝置將控制力施加到結構上，理論上可以根據人們的要求達到最佳的控制效果。但由于其需要外部能源、技術復雜、造價高，因此其工程應用開展較晚。對于尺度很大的工程項目，由于需要消耗較多的能源，大量應用的可能性不大，但對于一些需要保護設備、設施安全和減輕由于設備破壞引起次生災害的特殊工程仍然很有效。建筑結構常用的主動控制方法是在結構中的適當位置安裝作動器拖動附加質量（AMD）或在結構內部安裝作動器與彈性單元（錨索或稈件）施加控制力。

2.3 半主動控制

半主動控制是控制過程依賴結構的反應信息和外激勵荷載，只需較小的外部能量使控制裝置發生工作狀態的轉換，來改變控制系統的阻尼或剛度，從而減小結構反應的控制技術。與主動控制相比，控制效果相當且不需要很大的控制力。在建筑結構中常用的半主動控制裝置有:電流變和磁流變阻尼器。這種半主動控制阻尼器（AVD）的特點是能夠通過控制電場和磁場在幾毫秒時間內完成使阻尼器中的流變體實現自由流動、粘滯流動和半固態的交替變換，由于不需要伺服閥，從而避免了機械元件的不可靠和特別的維護要求。

2.3.1 磁流變阻尼器

磁流變(Magneto-Rheological，簡稱 MR)阻尼器是一種使用可控流變液體的阻尼器。磁流變液體在外磁場作用下，液體的流變特性會發生急劇變化，它的最基本特征是:在外磁場作用下，可以在毫秒級的時間內可逆地由流動性能良好的牛頓液體變為具有一定剪切屈服強度的半固狀物質，這種微觀變化在宏觀上表現為由它做成的磁流變阻尼器的阻尼力發生巨大的變化。現在開發的磁流變阻尼器工作模式有流動模式(Flow mode)、剪切模式(Shear mode)、擠壓模式(Squeez mode)三種，以及這三種基本模式的任何組合。

2.3.2 電流變阻尼器

電流變（ER）智能材料是一類可控流體，在高壓電場的作用下，它可從牛頓流體變為剪切屈服應力較高的粘塑性體，而且這種物理化學性態變化連續、可逆、迅速。ER是用不導電的母液(硅油或礦物油)和均勻散布在其中的固體電介質顆粒(無機非金屬材料、有機半導體材料或高分子半導體材料)所制成的懸浮體。在電場作用下，ER會形成一束束由固體電介質顆粒組成的纖維狀的“鏈”，橫架于正負二極之間。ER的力學性能主要表現為它在各種場強下的切應力與應變和應變率的相互關系上。隨著電場強度的增大，轉變而成的粘塑性體的剪切屈服應力也會增加，ER的這種特性稱為電流變效應。電流變效應中ER性能的轉變主要有以下3個特點:連續性；可塑性；響應速度快。

2.4 混合控制

為了提高控制效果，根據不同控制裝置的特點及結構動力反應的特性，將兩種或兩種以上的控制技術結合起來，取長補短，并通過參數的合理優化配置得到更好隔震效果的控制技術就稱為混合控制技術。常用有基底隔震與主動控制的組合，被動阻尼減震與主動控制的組合。第一種常用組合主要用于減少隔震層過大的位移。

也有在隔震體系上部結構設置層間主動控制拉筋的研究，以減少上部結構的層間相對位移。研究和應用最多的混合控制體系（HMD，Hybrid mass damper）是主動調諧質量體系(AMD，Active tuned mass damper)與被動調諧質量阻尼器(TMD，unedmass damper)的組合。

在混合控制體系中，主動控制裝置可采用主動控制中的各種控制算法，但考慮到基底隔震建筑的強非線性特點，相應的主動控制宜使用非線性魯棒控制。模糊控制、神經網絡控制、自適應非線性控制等在混合隔震體系中的應用已有研究。混合控制體系充分發揮了組合中不同控制系統的優點，拓寬了控制體系的適用范圍，進一步滿足了結構安全性和功能性的要求。這符合未來防震減災的發展方向-綜合的隔震減災技術。

3 結語

經過多年的研究和應用證明，振動控制技術可以有效地減輕結構在風、車輛、流冰、地震等動力作用下的反應和損傷積累，從而有效地提高結構的抗震能力和抗災性能，是結構抗震減震和防災減災積極有效的方法和技術。基礎隔震技術主要通過隔震裝置提供柔性裝置，使上部結構和下部結構分離，從而延長結構周期，以減小結構的地震反應，同時增加結構的阻尼，以控制由于周期延長產生的過大位移。隔震技術的理論研究和試驗研究日益成熟，國內外已經建成上千座隔震橋梁和建筑等結構，并且有些已經經受過強震的考驗，證明了減隔震控制的有效性。

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