現代建筑結構性抗震及控振技術研究

馬鍇

摘 要：本文主要闡述了現階段建筑的結構性抗震及控振技術在理論及現場實踐應用研究現狀。在結構性抗震及控振技術已相對比較成熟的基礎上，學術界應把關注點放在體系化、統一化、優化、局部構建設計、新材料及技術的研發（如抗阻尼構件）等方面。相比主動控制的相關研發及技術應用，新材料及施工技術開發以性價比為導向，盡管技術和施工策略還有待進一步挖掘，但半主動控制在研發和應用方面發展前景良好。

關鍵詞：結構性抗震;控振技術;半主動控制;建筑

中圖分類號：TU352.11 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0115-03

Abstract： This paper reviewed the current situation of the application of structural seismic and vibration control technology in theory and practice field. Based on the relatively mature structural seismic and vibration control technologies， the academia can focus on systematization， unification， optimization， local construction design， research and development （R&D） of new materials and technologies （such as anti-damping components）. Compared with the related R&D and technology application of active control， the prospects of semi-active control in R&D and application are widely respected. Although technology and construction strategy need to be further explored， semi-active control has a good prospect in research and development and application.

Keywords： structural seismic; vibration control technology; semi-active control; building

隨著我國基礎設施及房屋建筑發展，相關單位對結構性抗震及控振技術方面研究逐漸深入，具體項目應用逐漸常態化。學術界以把理論研究、策略設計、項目實證分析拓展到實際建筑施工技術和實操領域，廣泛使用應對地震的相關技術，在標準化和工業化方面已經發展較為成熟。歷史上的一些著名事件對本文提及的技術發展起到了一定作用，如美國加州北嶺地震和日本兵庫縣南部地震中，有的建筑使用了橡膠支座，在地震中沒有坍塌。在地震中未倒塌的房屋運用的橡膠支座基礎隔震技術，為今后現代建筑結構性抗震及控振技術發展奠定了基礎，并朝著產業標準化的方向發展。此外，本文提到的另一關鍵技術——主動性控制，相對來說較為復雜，且需大量外在能源支持，當前仍處于發展階段。相較而言，較為折中的辦法是采用半主動和混合控制，由于對于外在能源支持性依賴較小而被廣泛采用。本文將對涉及的中外文獻進行回顧總結，并提出一定的建設性意見。

1 隔震技術發展回顧

建筑隔震技術是阻止地震產生的巨大能量傳至建筑體的方法。隨著我國對建筑安全性的要求越來越高，建筑企業已經提出了諸多可應用性的隔震方案。現階段，較大規模采用的是經過特殊加工的鋼制結構板材和橡膠綜合應用技術，即疊層鋼板橡膠支座（Laminated Steel Plate Rubber Bearing，LPRB）、復位性綜合預應力彈簧技術和水平滑動板裝結構、摩擦擺體系（Friction Pendulum System，FPS）和綜合運用上述方案的技術復合方案[1]。

FPS本質上是依靠重力復位原理的摩擦擺滑動機構（見圖1），分為上下兩部分，牽扯兩部分自振動周期，隨著上半部結構的自振周期改變，隔震結構的自振周期呈相反變化，上面越短，整體自振動周期會越長。表達式如下：

[T=2πR/g] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，R是結構中滑動球面的半徑值;g表示重力加速度;T為自振動周期。

采用圖1所示結構時，構件的自振動周期不受上半部的構件負載值的影響，上部構件和下部底座之間的接觸形式為水平面接觸，最重要的是通過滑動來消耗傳導能量。與摩擦滑塊和滑動面不同的是，滾軸裝置接觸模式為線接觸，而滾球裝置為點接觸方式，缺點是對大載荷支撐有限，一般僅能支撐調諧質量阻尼器（TMD）;優點是具有較高的性價比，被廣泛應用。但由于該機構本身沒有自復位能力，因此應該采用彈性或彈塑性恢復元件[2]。

LPRB綜合防震抗震技術在實際施工中被大范圍應用，造價處于相對較低的水平。缺點是對地震縱向能量的減弱能力不佳，水平方向的能量使建筑物產生共振可能，縱向能量對上半部機件造成一定破壞，橫向能量則對下半部機件造成破壞。近年來的研究主要致力于對LPRN剛度和扭轉特性的理論分析與試驗。現階段，在施工實踐中，上述技術面對的主要問題還是價格。因此，相關領域需要進一步研發性價比高的隔震橡膠支座及相關配件，充分發揮該技術優勢，但不能一味追求低價而放棄安全性。

2 控振技術回顧

在技術層面上，控振技術是將來自于地震的巨大動能傳導至預制好的控振構件并利用該構件的物理結構特性削減該能量，擺脫了原有的依靠加強建筑物本身剛性來抵御地震高強度能量的現象。但這并不意味著控振技術與構件是萬能的，因為控振元件本身包含在建筑內部，從整體上說也是建筑的組成部分，不可能完全使建筑物其他構件免遭地震侵害。

2.1 摩擦阻尼器

摩擦阻尼器是一種較為傳統的機構，具備簡單的彈性機制，與建筑物主體結構構件相結合進行合理使用。通過力學設計，該機器能夠使摩擦阻尼器發揮最大效能，以達到最好的抗震效果[1]。

這些阻尼器選材簡單，組成部件的機加工工藝并不復雜，可大規模生產，適合各種結構的建筑。摩擦阻尼器本身雖無自復位能力，但可以依靠結構本身的剛度復位，但該結構最大的弊端是無法很好地匹配固定的鎖緊力與不同等級地震帶來的能量[3]。

2.2 軟鋼和合金阻尼器

軟鋼和合金阻尼器在性質上是彈塑性阻尼器，滯回特性良好，可以串聯在支撐構件中，在剪力墻頂部、梁的中間部位以及其他相對變形較大的部位均可使用。其中有一些可以與基礎隔震機構并聯使用。常用的鋼制阻尼器有剪切型鋼板阻尼器、彎曲型鋼板阻尼器、剪切型峰房式梳形阻尼器、鋼環阻尼器以及應用于房屋連接通道兩端的鐘形阻尼器。值得一提的是，偏心鋼結構也廣泛存在于高層或者特性建筑中。

2.3 鉛阻尼器

西方國家最先研制成功的鉛阻尼器，在恒定屈服應力作用下應用純鉛，從小孔流出時可視為不可壓縮彈塑性介質的無摩擦擠壓特性，設計了收縮管型和凸軸型擠壓的阻尼器，已經應用在很多建筑中。該阻尼構件物理力學特性良好，適用性強，其機理與通過摩擦減震的構件有異曲同工之效，在施工之前可以設定預應力結構，但在完工后不可更改。極限設定一定要考慮周全，要兼顧成本與實用以減小在地震中的損害，如圖2所示。

3 主動控制、半主動控制與混合控制

3.1 主動控制

抗震技術中的主動控制即最新的技術手段，對地震能量來源和建筑反應動態進行實時監控測算，再按照模型測算結果應用加力裝置對建筑采取相應控制，以達到實時主動控制的目的，使結構在地震和其他動力作用下響應控制，在允許范圍內，達到保護結構和設備免遭損傷的目的。主動控制是較為先進的防震耗能技術，具有很大的研究意義。

3.2 油阻尼半主動控制

半主動控制在一定程度上能達到主動控制的效果，又不需要消耗巨大的能源，因此，可以用于既有建筑的防震改造工程。我國應用國產的電液伺服閥發展了變阻尼半主動控制系統，提出了兩個油路設計方案，開發了控制算法和相應分析設計軟件，為這一技術的現實實踐提供了可行路徑[4]。

3.3 混合控制

混合控制指綜合運用主動控制與被動控制或者更進一步運用更為先進的抗震控制方式，最為普遍的運用模式是用作動器拖動調諧質量阻尼器（HMS），如圖3所示。

4 結語

由于防震抗震及控振技術所受的社會經濟激勵以及保護標的建筑物是極為復雜、不確定的，建筑物不同于其他物體，由于物理尺度較大，建筑物本身的比重也很大，建筑物和減震機構在靜止狀態已經承受了很大載荷，因此，建筑物的減震技術在理論研究、施工應用以及成本控制各個方面都有待深入探討[5]。本文研究開發減震抗震技術的目標是在地震中使建筑物本身盡量不倒塌的基礎上進一步保護建筑物人員安全，相對于被動的減震抗震技術來說價格低廉、成本較低，對施工方的技術要求也較低，被廣大施工方所接受。而更為先進的半主動和混合抗震減震技術則可以用于造價更高的建筑，可以適應更為復雜的地形和更高的地震等級，以提高建筑物及人員的安全性。

參考文獻：

[1]蔡丹繹，李愛群，程文禳.調頻液體阻尼器（TLD）的等效力學模型研究[J].地震工程與工程振動，1998（1）：80-87.

[2]龍復興，趙曉紅.土木工程結構最優控制問題的脈沖干擾法（PDM）[J].地震工程與工程振動，1997（4）：89-94.

[3]楊蔚彪.低周反復荷載下二階摩擦減振控制支撐框架的試驗研究[J].建筑科學，1997（4）：3-7.

[4]劉季，孫作玉.結構可變阻尼半主動控制[J].地震工程與工程振動，1997（2）：92-97.

[5]周錫元.建筑結構抗震設防策略的發展[J].工程抗震，1997（1）：1-3.