減震技術在建筑工程中的相關研究探討

文／劉長卿、張師鐸 華商國際工程有限公司 北京 100069

引言：

地震作為一種破壞性巨大的自然災害，給建筑結構帶來的挑戰不可輕視。目前我國抗震設計規范以“大震不倒，中震可修，小震不壞”為抗震設計原則，以保護結構不遭到毀壞和保護生命安全為主要目標。通常的建筑結構設計采用的是抗震設計方法，在地震發生時我們允許結構構件進入彈塑性狀態，通過延性變形消耗地震能量，減輕地震反應，使結構物裂而不倒。但這一方法存在一定的局限性，首先對于很多重要的結構物，包括核電站、博物館等在地震作用下進入非彈性階段是不容許的，其次為了抗震的需要，結構構件的尺寸及配筋會相應增大，造成成本極具提高。并且，在強震下，雖然結構不倒，但已經遭受嚴重破壞，破壞程度難以控制。

建筑減震控制技術是在結構構件之間或結構物與基礎之間設置耗能裝置，利用其耗能特性，減少振動能量對結構的影響[1]。在這一背景下，結構減震技術的引入成為應對地震挑戰的一項重要策略。減震技術作為一種前瞻性的解決方案，為建筑工程領域注入了新的思路和活力。通過減震技術的應用，建筑結構可以更為靈活地應對地震引發的挑戰，為未來地震災害提供更為可靠的保護措施。因此，加強對減震技術的研究和實踐應用，不僅是建筑工程的必然趨勢，也是社會對自身安全的一項必要舉措。

1.建筑減震技術的原理及類型

減震技術的原理是將建筑物構件之間采用減震器連接，使建筑物的振動轉化成能量損失而非破壞[2]。這一領域的關鍵原理在于通過系統性的方法改變建筑結構對地震力的響應，以降低地震帶來的破壞。這一理念在多個層面上展現出對結構工程的創新性思考。

傳統的抗震設計方法是基于承載能力的設計方法，實質上就是“以剛克剛”的設計方法，這種方法不能考慮結構在彈塑性地震表現，有著明顯的設計缺點。我國《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）3.5.3 條中建議在進行建筑結構的設計時宜采用多道抗震防線，國內的建筑行業研究人員還依此提出了根據“耗能減震”的思想進行結構設計，以減小結構在地震下承受的地震荷載作用。耗能減震技術是一種新型的抗震思想，其核心設計思想是減震控制，即在結構的一些抗震能力弱的部位，設置特定的耗能構件或耗能器，耗能減震裝置會分擔一部分結構的地震能量，并將這部分能量通過耗能裝置的特性耗散或被轉換為其它形式的能量，根據分擔地震能量的方法使得原結構承受的地震作用顯著減小，從而減輕了結構構件在地震作用下的破壞程度，以此達到了控制結構地震反應的目的。

現階段工程上使用的阻尼減震裝置種類繁多，優缺點各異，根據應用于結構的部位不同，可以將其分為以下幾類：

（1）BRB 防屈曲約束支撐

BRB 防屈曲約束支撐是一種新型的滯回耗能支撐。其與普通支撐的區別在于：普通支撐存在受壓屈曲的問題，而屈曲約束支撐在受拉和受壓狀態下都不會屈曲。這是因為屈曲約束支撐的內核單元外圍有鋼套管等約束單元的限制，使核心單元在軸向壓力作用下，發生全截面屈服之前難以發生屈曲現象，從而有效的規避了普通支撐受壓時易屈曲的問題。內核單元的滯回曲線飽滿，滯回性能優越，能夠耗散大部分地震能量，減小地震作用對主體結構的損傷。

（2）粘滯阻尼器

粘滯阻尼器是根據流體運動原理，特別是當流體通過節流孔時會產生節流阻力的特性而制成的。在地震來臨時，阻尼器限度吸收和消耗了地震對建筑結構的沖擊能量，能大大緩解地震對結構造成的沖擊和破壞。

（3）剪切軟鋼阻尼器

剪切型軟鋼金屬阻尼器是將軟鋼作為剪切板，利用其屈服強度低、延性好等優點，與主體結構相比，它能夠更早進入屈服，從而可利用軟鋼屈服后的累計塑性變形來達到耗散地震能量的效果。金屬阻尼器具有剛度、承載力、屈服位移等參數覆蓋范圍全面，性能穩定、耐久性好、環境適應性強、維護費用較低等優點。

（4）摩擦阻尼器

摩擦阻尼器作為一種耗能裝置，因其耗能能力強，載荷大小、頻率對其性能影響不大，切構造簡單，取材容易，造價低廉，因而具有良好的應用前景。特別是在控制結構進斷層地震反應和中高層結構地震反應方面有獨特優勢。摩擦阻尼器對機構進行振動控制的機理是：阻尼器在主要結構構件屈服前的預定載荷下產生滑移或變形，依靠摩擦或阻尼耗散地震能量，同時，由于結構變形后自振周期加長，減小了地震輸入，從而達到降低結構地震反應的目的。

綜上所述，在實際應用中要根據建筑的不同地區、不同類型選擇不同的減震器，以達到最佳的減震效果[3-7]。

1.1 結構動力響應的調整

建筑減震技術的核心思想在于精心調整結構的動力響應，以使建筑在地震來襲時能夠以更為靈敏的方式做出反應。這不僅包括提升建筑的柔韌性，通過采用靈活的構造和材料，使其能夠更有效地吸收和分散地震產生的能量，而且涉及到對剛度的巧妙管理。通過可調整的支撐系統等手段，降低建筑的剛度，使其具備更強的變形能力，從而有效減緩地震力在建筑結構中的傳遞速度。

這種巧妙的設計不僅使建筑在地震中展現出更為靈敏的響應，更為重要的是，它為建筑物和其中的居民提供了更為可靠的安全保障，成為現代建筑工程中一項至關重要的技術創新。

1.2 柔韌性與剛度的協調平衡

在追求柔韌性的提升過程中，建筑工程師必須巧妙地平衡結構的剛度，這種柔韌性與剛度的協調成為建筑減震技術成功的制勝法寶。

這個平衡的藝術要求工程師在設計中既要確保結構具備足夠的彈性，以適應地震時的變化，同時又要保持足夠的剛性，確保建筑整體的穩定性。在這一挑戰性的任務中，創新的建筑材料如高性能合金、復合材料等，通過其獨特的物理性質，為實現柔剛平衡提供了新的可能性。智能的結構設計則通過先進的計算和模擬技術，使工程師能夠更準確地預測結構在地震中的行為，從而更好地優化柔韌性和剛度的分布。

1.3 能量吸收與耗散機制的引入

減震技術的本質在于引入能夠有序吸收和耗散地震能量的阻尼器等裝置。這些裝置通過各自獨特的機制，有針對性地消耗地震釋放的能量，從而有效地減緩結構的振動幅度。這一錯綜復雜的過程不僅需要減震裝置本身具備高效的能量轉換能力，更需要在結構與裝置之間實現緊密的協同工作，以確保最佳的減震效果。只有在結構與減震裝置之間實現無縫的配合與協調，才能最大化地提升建筑物在地震中的抗震性能，使其在面對地震沖擊時能夠安全而可靠地經受考驗。

1.4 多樣化類型的靈活應用

減震技術的多樣性為工程領域提供了廣泛的選擇余地，其中包括金屬阻尼器、調諧質量阻尼器和液體阻尼器等多種方案[8]。不同阻尼器各具優勢，在不同環境及領域中發揮了重要的作用。這樣的技術多元性賦予了工程師更大的自主權，使其能夠根據具體項目需求巧妙選擇最為適宜的減震技術，從而最大程度地提升建筑物的整體抗震性能。在面對不同地質條件和建筑結構特點時，靈活應用各類減震技術成為實現工程抗震目標的有效手段。

總體而言，建筑減震技術的原理與類型的不斷演進，是對地震風險管理一系列積極而有益的探索。在不斷的工程實踐中，對這些技術進行深入理解并結合創新性思考，將為建筑結構的可靠性和安全性提供更為堅實的基礎。這也是建筑工程在迎接未來地震挑戰時不斷進步的重要動力。

2.建筑減震技術的廣泛應用及成功實例

深入研究全球范圍內減震技術的應用案例時，我們不難發現，在地震頻發地區采用減震技術的建筑在地震中展現出色的抗震表現，成功地控制了人員和財產的損失。這些令人矚目的成功案例為其他地區的建筑設計和工程提供了寶貴的經驗和有益的啟示。通過借鑒這些先進的減震實踐，其他地區可以更有效地規劃和實施抗震措施，從而提高建筑結構在地震中的穩定性，降低災害帶來的風險。這種經驗分享的方式不僅有助于減少災害造成的損失，也有助于全球范圍內建筑工程領域的共同進步和發展。

2.1 日本地震防災領域的先驅實踐

日本地處地震活動帶，因此一直處于地震防災領域的領先地位。為了有效地抵御地震沖擊，許多日本建筑采用了先進的基礎減震技術，通過在建筑構架內引入專門設計的減震裝置，成功減輕了地震所引發的動態荷載。這種先進的實踐經驗尤其在1995 年神戶地震之后得到廣泛應用，顯著減小了建筑物在地震中的損害程度，為其他地區的減震技術應用樹立了榜樣[9]。

這一成果不僅在技術上取得了顯著的成功，也為全球范圍內的地震防災提供了寶貴的經驗教訓。日本在減震技術的推廣中展現出的先進性和成果豐碩性，為其他地震頻發地區提供了有益的指導，為全球范圍內建筑抗震技術的不斷創新和提升樹立了標桿。

2.2 加利福尼亞地震區的成功案例

整個加利福尼亞海岸都是地震高發區，然而，在采用減震技術方面，該地區也積累了豐富的經驗。以加州大學校園內的一些建筑為例，它們采用了先進的液體阻尼器，這些阻尼器在地震中能夠以迅速而有效的方式吸收和分散能量，使得建筑結構能夠保持相對穩定，從而大大減小了地震帶來的損害。

這種在加利福尼亞地區采用的減震技術展現了其靈活性和高效性，為地震頻發地區提供了一種有力的抗震解決方案。加利福尼亞的這一實踐經驗為其他地區在地震防災方面提供了寶貴的啟示，促使人們對液體阻尼器等先進技術的廣泛應用產生更大的興趣。這也反映了在地震防范方面的技術創新和實踐經驗分享的全球共同努力。

2.3 中國抗震減災工程的實際效果

中國作為地震災害頻發國家之一，近年來在抗震減災工程方面取得了顯著的成果[10]。為了增強建筑的抗震性能，一些高層建筑引入了擺鐘隔震技術。通過在建筑結構中巧妙設置擺鐘，成功地降低了結構的自振周期，從而有效提升了建筑在地震中的抗震能力。這一創新性的技術應用在實際工程中取得了令人矚目的成果，不僅在減輕地震影響、降低損害方面發揮了積極作用，同時也為中國地震災害管理樹立了成功的榜樣。

在2010 年4 月發生的玉樹地震，造成大量人員傷亡，而且有近一半的高層建筑在地震中倒塌。根據此次震害調研數據可以發現，在所有倒塌的高層建筑中，幾乎所有建筑都沒有采取減震措施，也沒有安裝減震裝置，極少數安裝阻尼器的結構在地震中的破壞都相對輕微。因此，在進行結構設計時應考慮避免采用不滿足規范要求的建筑結構形式，并且對新建建筑的抗震設計，將減震技術應用于新建建筑結構是很有必要的。現如今，在地震頻發的城市中，每一棟高層建筑的建設都離不開抗震阻尼器，經驗表明阻尼裝置能夠起到很好的減震效果。

這些工程的實際效果表明，減震技術在中國地震災害管理中具有良好的應用前景。隨著技術的不斷創新和經驗的積累，中國在抗震減災領域的不斷進步將為未來面臨地震威脅的地區提供有益的啟示和借鑒。這也反映了中國在地震防范領域致力于推動科技進步和工程實踐的決心，為建設更加安全、抗震能力更強的城市和建筑貢獻著積極力量。

3.建筑減震技術的研究手段

為了客觀評估建筑減震技術的效果，需要對采用減震技術和傳統結構設計的建筑在地震中的性能進行全面而深入的量化評估，進而確定最優的減震方案。結合先進的數值模擬技術以及實際監測數據等手段，將為建筑領域的決策者和設計者提供全面而可靠的數據支持，有助于未來的建筑設計更加科學和可持續[11]。

3.1 數值模擬方法

數值模擬作為評估建筑減震效果的重要手段之一，將通過采用先進的有限元分析和計算流體力學模型，以精確模擬建筑結構在地震中的響應。通過對比采用減震技術和傳統結構設計的建筑模型，我們可以全面了解減震技術對結構動力學行為的影響，為減震效果的評估提供科學可靠的數值依據[12]。

采用有限元分析，我們將深入挖掘建筑結構在地震荷載下的細微變化，包括振動模式、位移分布等關鍵參數，以全面了解減震技術在不同地震條件下的實際效果。同時，計算流體力學模型將有助于模擬液體阻尼器等特殊減震裝置在地震中的運作機制，為工程實踐提供更為詳盡和精準的模擬數據。

通過這一先進的數值模擬手段，我們能夠深入研究減震技術在不同地震場景下的性能表現，為建筑設計和工程決策提供更加準確和全面的信息。這種科學而全面的數值分析方法有望為減震技術的優化和改進提供深刻的見解，促進抗震技術的不斷創新[13]。

3.2 實際監測數據分析

除了數值模擬，還可以結合實際監測數據，通過對現有減震建筑和傳統結構建筑在地震事件中的實際表現進行對比。這些實際監測數據包括建筑結構的位移、加速度、變形等多個方面的信息。通過將這些實際監測數據與數值模擬結果進行對比驗證，我們能夠更加真實地評估減震技術的實際效果，從而在實際工程中提供更為可靠的指導。

實際監測數據的應用不僅為研究提供了真實、可信的數據支持，也為減震技術在實際工程中的應用提供了有力的實踐支持。通過對建筑結構在地震中的實際響應進行深入分析，我們能夠更全面地了解減震技術在實際場景中的性能，為設計者和決策者提供更為全面的信息，以便更好地規劃和實施抗震措施。

結合實際監測數據的研究方法不僅增加了研究的可信度，也強調了理論研究與實際應用相結合的重要性。通過綜合考慮實際觀測和數值模擬的結果，我們將更好地理解減震技術的性能特點，為未來建筑設計和工程決策提供更為全面和可靠的科學依據。

4.結論與展望

結構減震技術現在已經成為了建筑技術中不可或缺的一部分，它有著卓越的減震效果。在未來的研究中，我們應致力于深化對不同減震技術的理論研究，以更全面深刻地理解它們在不同場景下的工作原理和適用性。隨著科技的不斷發展，新技術和材料的引入為減震技術的創新提供了廣闊的空間。借助先進的工程材料、傳感技術以及數據分析方法，我們可以更精確地設計和優化減震系統，提高其性能和適用范圍。通過持續的創新，減震技術將能夠更好地適應不斷變化的建筑需求和地震挑戰。

總體而言，減震技術在我國得到了廣泛的推廣應用，大大提升了建筑物抵御地震的能力，保障了公民的生命財產安全。未來對建筑減震技術的研究應當致力于設計理論的深化、實踐經驗的夯實、標準制定的完善和技術創新的驅動，以推動其更廣泛、更有效地應用于建筑工程中，為地震風險管理提供更為可靠的解決方案。這樣的努力不僅有助于提高建筑結構的抗震性能，也將對全球范圍內的社會安全和可持續發展產生積極的影響。