淺談建筑結構的隔震、減振和振動控制

吳嘉強

（重慶中科建設（集團）有限公司，重慶 401120）

一、建筑結構的隔震與消能減振原理分析

傳統的建筑結構建設以“小震震不壞、設防烈度可修、大震震不倒”為建筑設計的設防標準，建筑結構主要依靠其結構變形吸收、消耗地震帶來的能量。按這種設防標準設計的建筑結構在遇到小、中型地震時，依賴結構吸收、消耗地震帶來的能量具有可行性。這種建筑結構在設計時雖然采取嚴格的設計，但在遇到超過設計所能抵抗的大地震時，仍不能保證建筑結構的安全。這也使得很多專家致力于尋找在各方面優于傳統建構結構設計的新體系。

（一）建筑結構的隔震原理

基礎建筑結構的防震體系通過對隔震層得設置，將建筑結構分為三部分：上部結構、隔震層、下部結構。這樣由地震釋放出的能量先經下部結構傳輸到隔震層，再由隔震層隔震裝置吸收、消耗大部分地震能量后，將僅有的少部分地震能量上傳到上部結構。建筑結構隔震層的設計改變了建筑上部結構的周期，從而降低了上部結構對地震的反應，進而確保了上部結構即使在遇到強烈地震時也仍處于彈性狀態，甚至能保持在自然彈塑性變形的初期狀態。

（二）耗能減振結構原理

耗能減振結構，是指在建筑結構抗側力構件中，通過設置耗能部件來實現耗能減振的。當建筑結構承受地震帶來的能量時，耗能裝置和耗能部件通過產生彈塑性來滯回變形，從而，吸收、消耗地震帶來的巨大能量，減少主體建筑結構受地震巨大能力的影響，進而達到減振、控震目的，這與傳統建筑設計“硬碰硬”思想相反，它屬于“以柔克剛”，在后面筆者還會對其進行詳細介紹。

二、建筑結構的振動控制技術

傳統建筑抗震設計，主要利用結構自身來吸收、消耗地震帶來的能量以滿足設防抗震的標準，雖然能在遇到較小地震，起到比較好的效果，但毫無疑問這是一種比較消極被動的抵抗地震的方法。科學有效的抗震方法是通過采用結構振動控制技術來達到抗震目的，即通過對結構本身施加振動控制系統，讓其與結構本身一同發揮抗震作用，以減輕建筑結構的抗震反應。建筑結構的振動控制分為主動控制、半主動控制、被動控制和混合控制。

（一）被動控制

被動控制是指不需要借助外部力量的振動控制技術,它通過在建筑結構的某個空間部位添加子系統，或通過對結構自身構件構造上的處理,來改變結構自身的動力特性。被動控制是目前結構應用開發的熱點,很多被動控制技術也已日趨成熟完善,在實際操作中應用廣泛。被動控制從其控制機理上來看可分為兩大類：基礎隔震與耗能減震。

1、基礎隔震基礎隔震技術就是指在建筑物或者構筑物基底上通過設置控制機構，隔離地震能量向上的傳輸,減少結構自身受地震的振動影響，以防止地震帶來的破壞。目前主要研究的基礎隔震技術有:摩擦滑移隔震、夾層橡膠墊隔震、滾珠及滾軸隔震、支撐式擺動隔震技術以及混合隔震等。縱觀近年來隔震技術的發展,發現隔震技術的特點如下：

a、隔震技術應用的范圍越來越廣,它不僅在新建建筑項目中應用廣泛,而且在對現有建筑進行加固的工程中也得到了普遍認可。b、隔震建筑設計形式日趨多樣化,從早期主要應用在砌體結構和鋼筋混凝土結構中發展到木結構、鋼結構和組合結構中。c、隔震技術可供人們選擇的隔震裝置日趨多樣化,而且新的隔震方法被人們不斷提出,混合隔震技術的采用已成趨勢。

2、耗能減震

耗能減震，具體來說就是把建筑結構的某些地方如：空間、層間、連接縫和節點等，安裝上消能裝置。這樣在有小風或者小震發生時，這些消能裝置與建筑結構一起工作，讓結構處于彈性狀態，滿足正常情況下的使用要求。在遇到大風或大震時，伴隨建筑結構側向變形的加大，消能裝置能夠產生較大的阻尼，從而大量吸收、消耗輸入建筑結構的風振或地震能量，進而讓建筑結構所吸收的變性能或動能以熱能的形式散發出去，能夠迅速減少建筑結構受大風或大震影響帶來的反應，保持建筑整體結構較好的彈性狀態。目前,經常采用的耗能裝置有:摩擦耗能減震裝置、粘滯阻尼器、金屬阻尼器和復合型耗能器。經過研究和實際采用發現這種減振技術具有以下優點:

a、安全，依靠耗能裝置可以大量吸收、消耗地震能量,從而達到保護建筑主體結構的目的。b、經濟，采取這種柔性耗能方式可大量減少剪力墻的數量、減小結構構件的配筋和斷面。c、合理，通過耗能裝置可以有效耗散能量，減輕地震反應。d、適用范圍廣、維護費用低。

（二）主動控制

主動控制與被動控制有明顯的不同，它是需要借助外部力量的一種減震控制技術,通過施加與外來振動相反方向的控制力，以實現結構減震控制。其工作原理是這樣的:首先，傳感器對建筑結構的動力響應與外部刺激進行檢測；然后將監測的數據發送到計算機系統；再次，由計算機根據程序給定的算法計算出應施加力的大小；最后,由外部能源驅動產生控制系統所需的力。目前主要研發的主動控制裝置有:主動質量阻尼系統、主動支撐系統、主動拉索系統、氣體脈沖發生器等。

（三）半主動控制

半主動控制是通過利用控制機構來自動調節建筑結構在地震中的參數，來達到減震目的,其對外部力量的需求很低,不需用強電,只由弱電(如蓄電池)就能完成。半主動控制通常采用開關進行控制,通過對開關的操作來改變控制系統的工作狀態,進而改變建筑結構的動力特性。目前較典型的半主動控制的裝置有:可變剛度系統、主動調節參數質量阻尼系統、可變阻尼系統和可控摩擦式隔震系統等裝置。

（四）混合控制

混合控制是對主動控制與被動控制的聯合運用。混合控制系統利用了主動控制與被動控制的綜合優點,它既能通過被動控制裝置耗散大量地震能量,也能有效利用主動控制裝置來保證控制的效果,因此混合控制有著良好的建筑工程應用價值。

混合控制裝置有以下幾種:主動質量阻尼系統與調諧液體阻尼系統結合形成的混合控制；主動控制裝置與阻尼耗能裝置結合的混合控制裝置；基礎隔震與主動控制裝置相結合的混合控制等。

（五）對四種控制技術的綜合分析

主動控制在四種控制技術中,效果是最好的,但因建筑結構體型巨大，導致所需的外部能源需求較大,再加上其控制裝置的程序算法較復雜,其應用程度明顯少于另外三種控制技術。被動控制的造價低廉,其減震效果也良好,且易實現,是目前發展最快、應用最廣的控制技術。半主動控制其介于被動控制和主動控制之間,這種控制的精確度比較高,造價與主動控制相比相對低謙,加之不需要較大的外部動力源,其具有較廣闊的應用前景。混合控制則綜合了多種控制的優點,其應用和發展前景自然較為廣闊。

對建筑結構隔震、減振及振動控制的研究在中國有著廣泛的應用，它也會帶來中國建筑結構抗震消能減振的設計風暴，為了更好地解決這些建筑問題，在設計時必須加大對強震下的建筑結構控制規律進行探索、尋求低造價、施工方便且穩定性、可行性各方面最科學的組合。

結語：隨著我國經濟的快速發展和對抗震知識理論的不斷完善，對建筑結構抗震加固、減振的方法越來越多,相信在不斷探索下，建筑結構定能符合人們對其安全性、耐久性和舒適性的要求。

[1]袁建龍，石軍輝.談建筑結構的抗震加固[J].陜西建筑,2007(04).

[2]劉德穩,楊杰,賈強.云南隔震建筑與消能減振結構的發展研究[J].山西建筑,2011(03).

[3]周云.防災減災工程學[M]．北京:中國建筑工業出版社，2007．

[4]黨育.基礎隔震結構設計及施工指南[M]．北京:中國水利水電出版社，2007.

[5]黃宜華.建筑結構抗震概念設計及減輕地震災害的措施 [J].山西建筑,2010(02).