现代工程减震技术分析

刘宏昌

（广东省轻纺建筑设计院，广东 广州 510080）

1 前言

我国是多地震国家，地震区分布广大，历次大地震给人民生命财产带来了巨大的损失.传统的结构抗震设计方法，单纯利用提高结构构件自身的抗力来消极地抵抗地震作用，对于随机性很强、发生概率很小的强震作用，既不经济也不全面。传统结构延性抗震设计是将结构的某些部位设计得具有足够的延性，在强震作用下这些部位形成稳定的塑性铰，依靠弹塑性变形来耗散地震能量。这种传统的以“抗”为途径的抗震设计方法在很多情况下是有效的，然而在强震作用下难以保证结构不损坏，人员、设备、仪器的安全，不符合现阶段的基于性能的抗震设计思想。

2 现代抗震技术

现代抗震结构用的是一种“以柔克刚”的思想，即在建筑结构的运动中抵抗地震作用力。它可以从不同角度进行分类，通常按控制系统是否需要外部能源和激励，可分为四类:被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。

2.1 被动控制

被动控制是指不需要输入外部能源的控制技术，其控制过程不依赖结构的振动反应信息及动荷载信息，而是靠被动地吸收或消耗输入结构的能量来达到减震的目的。被动控制造价低廉，技术简单，性能可靠，是目前工程实际中应用广泛的结构控制技术之一。被动控制主要包括基础隔震、耗能减震和吸能减震技术，及其组合的联合控制技术。

2.1.1 基础隔震

基础隔震技术是通过在上部结构与基础之间设置隔震层来保证建筑物在地震时的安全和使用功能。这些装置可以把建筑物上下部分完全或部分分割开，以改变或调整结构的动力特性或动力作用。并且在水平方向为柔性且发生较大变形的情况下，比较刚性而又稳定地承受建筑物的重量。隔震层可设在结构内或结构外。在结构外设隔离层有两种方法，一种方法是在结构物四周挖很深的槽，可在槽中灌沙或埋入屏蔽板等，将长周期为卓越的那部分表面波隔断，但这种方法不能屏蔽直下型输入波的输入。另一种方法是采用软弱地基。这种地基有减少地震输入的效果，但是为了保证对建筑结构有长期支承能力，有必要对地基塑性位移的发生加以限制。隔震层还可设在结构内部，这种结构是现在普遍采用的结构，如在上部建筑物和基础之间设摩擦滑移隔震层或橡胶隔震支座等。摩擦滑移隔震技术就是通过滑移或滚动隔震层，容许建筑物在发生地震时相对于地面做整体水平滑动，从而限制地震作用向上部结构的传递，并通过摩擦（及阻尼限位装置）耗散地震能量来达到隔离地震的目的。这种摩擦隔震技术简单易行、造价低廉，其隔震效果主要取决于摩擦系数，且受地面运动频率特性的影响较小，几乎不会发生共振现象。但是，纯摩擦隔震层的滑移量大，且震后不能自动复位。为克服上述缺点，一种与土建相结合的短柱类隔震技术得到了发展。它综合利用了摩擦耗能与弹塑性耗能的复合技术，造价低廉，适合施工现场制作、安装。橡胶隔震支座是二十世纪五十年代出现的一种使隔震技术走向成熟的新技术，它利用橡胶垫较大的竖向刚度来承受上部结构的荷载，并通过其自身的水平柔性来隔离水平地震作用向上部结构的传递。目前，随着国产橡胶垫产品的研制开发成功及产业化规模的形成，橡胶垫隔震技术在我国已进入批量推广应用阶段，并成为隔震技术应用的主流。据统计，仅1997-2000年橡胶垫隔震建筑的数量占整个隔震建筑的90%以上。

2.1.2 耗能减震

耗能减震技术是指通过一定手段，把地震能量削弱减小，使建筑结构在地震中得到保全。我们知道在地震爆发前，地面下的活动断层下蕴藏着巨大的能量。一种直接的消能法就是在活动断层上打深孔，往孔中注水，诱发小地震，释放地震能量。这主要是水减小了断层上下盘之间的摩擦，使之在较小的地震能量下产生滑动。这种方法技术上不成熟，投资亦大，还没有到实用阶段。耗能减震技术通常采用的方法是在结构中（或附着在结构上）设置耗能构件，即把结构物的某些非承重构件（如支撑，连接件等）设计成消能构件，或在结构的某些部位（层间空间，节点，连接缝等）装设消能装置。在风或小地震作用时，这些消能构件处于弹性状态，使结构物具有足够侧向刚度，当出现中、强地震时，消能构件产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，使主体结构避免出现明显的非弹性状态，迅速衰减结构的地震反应（位移，速度，加速度）。这种技术一方面吸收了传统的延性结构的设计思想，同时又克服了延性构件损坏后难以修复的缺点，具有性能稳定、技术条件简单、适用范围广、经济可靠等优点。根据耗能机理的不同，耗能装置可分为四类:粘滞耗能器、粘弹性耗能器、摩擦耗能器、金属耗能器。

2.1.3 吸能减震

吸能减震技术是由附加在结构中的子系统吸收结构的一部分振动能量，以减小结构反应的控制技术。但是由于地震的随机性，且地震波由各种频率的波混合而成，调谐目标只能控制结构物的某些振型。目前吸能减震装置主要包括调频质量阻尼器（TMD）、调频液体阻尼器（TLD）、液压质量控制系统（RMS）、质量泵（MP）等。调频质量阻尼器（TMD）是由弹性元件、阻尼器和质量块所组成的振动系统，将其固有频率调整到接近于结构的自振频率，使结构振动时引起TMD共振，这时它的惯性力又反作用于结构本身，起到减小结构反应的目的。1988年，Clark又提出用大量自振频率分布于所控结构模态自振频率附近的小TMD振子来抑制模态的振动。现在TMD的慨念还在不断扩展，如适用于旧房增层和抗震加固的层间隔震技术，以及利用顶部突出物如水箱、旋转餐厅等来抑制高层、高耸结构的鞭梢效应等。调频液体阻尼器（TLD）是利用容器中液体在晃动过程中产生的动液压力、液体的惯性力及粘性耗能而产生控制力，从而减小结构的反应。TMD通常可与结构的储水装置结合使用，简单易行、经济可靠。

2.1.4 联合控制技术

联合控制是将技术发展己比较成熟的基础隔震技术与耗能减震（或调频减震）技术结合起来，这不仅能够取得更好的控制效果，还拓宽了各项控制技术的适用范围。比如橡胶垫与摩擦滑移机构的联合隔震技术。它综合利用了摩擦滑移机构的阻尼耗能及橡胶垫减小结构水平刚度、延长结构周期的特性来取得好的隔震效果。这种技术有串连和并联两种。当橡胶垫与摩擦滑移机构串连时，如地震时基底剪力未超过摩擦力，由橡胶垫起隔震作用；如基底剪力超过摩擦力，滑移层开始滑动，在减震耗能的同时对橡胶垫起保护作用。当橡胶垫与摩擦滑移机构并联时，结构重力由橡胶垫和滑移件共同承担，当基底剪力大于滑动摩擦时，橡胶垫就开始发挥作用。由于风载作用、结构物的倾覆及地震后隔震系统残余变形的影响，基底隔震技术在高层建筑中使用有很多问题，且其对于竖向地震起不到减震的作用，采用联合控制后则有可能突破上述限制。

2.2 主动控制

主动控制是由外加能源对结构施加控制力来减小结构振动反应的控制技术，即通过传感器采集结构的动力反应或外荷载信息，反馈至计算机进行分析处理，由计算机按照一定的控制算法来计算施加控制力的大小，再通过电液伺服系统和控制装置将控制力施加到结构上，理论上可以根据人们的要求达到最佳的控制效果。但由于其需要外部能源、技术复杂、造价高，因此其工程应用开展较晚。对于尺度很大的工程项目，由于需要消耗较多的能源，大量应用的可能性不大，但对于一些需要保护设备、设施安全和减轻由于设备破坏引起次生灾害的特殊工程仍然很有效。建筑结构常用的主动控制方法是在结构中的适当位置安装作动器拖动附加质量（AMD）或在结构内部安装作动器与弹性单元（锚索或秆件）施加控制力。

2.3 半主动控制

半主动控制是控制过程依赖结构的反应信息和外激励荷载，只需较小的外部能量使控制装置发生工作状态的转换，来改变控制系统的阻尼或刚度，从而减小结构反应的控制技术。与主动控制相比，控制效果相当且不需要很大的控制力。在建筑结构中常用的半主动控制装置有:电流变和磁流变阻尼器。这种半主动控制阻尼器（AVD）的特点是能够通过控制电场和磁场在几毫秒时间内完成使阻尼器中的流变体实现自由流动、粘滞流动和半固态的交替变换，由于不需要伺服阀，从而避免了机械元件的不可靠和特别的维护要求。

2.3.1 磁流变阻尼器

磁流变(Magneto-Rheological，简称 MR)阻尼器是一种使用可控流变液体的阻尼器。磁流变液体在外磁场作用下，液体的流变特性会发生急剧变化，它的最基本特征是:在外磁场作用下，可以在毫秒级的时间内可逆地由流动性能良好的牛顿液体变为具有一定剪切屈服强度的半固状物质，这种微观变化在宏观上表现为由它做成的磁流变阻尼器的阻尼力发生巨大的变化。现在开发的磁流变阻尼器工作模式有流动模式(Flow mode)、剪切模式(Shear mode)、挤压模式(Squeez mode)三种，以及这三种基本模式的任何组合。

2.3.2 电流变阻尼器

电流变（ER）智能材料是一类可控流体，在高压电场的作用下，它可从牛顿流体变为剪切屈服应力较高的粘塑性体，而且这种物理化学性态变化连续、可逆、迅速。ER是用不导电的母液(硅油或矿物油)和均匀散布在其中的固体电介质颗粒(无机非金属材料、有机半导体材料或高分子半导体材料)所制成的悬浮体。在电场作用下，ER会形成一束束由固体电介质颗粒组成的纤维状的“链”，横架于正负二极之间。ER的力学性能主要表现为它在各种场强下的切应力与应变和应变率的相互关系上。随着电场强度的增大，转变而成的粘塑性体的剪切屈服应力也会增加，ER的这种特性称为电流变效应。电流变效应中ER性能的转变主要有以下3个特点:连续性；可塑性；响应速度快。

2.4 混合控制

为了提高控制效果，根据不同控制装置的特点及结构动力反应的特性，将两种或两种以上的控制技术结合起来，取长补短，并通过参数的合理优化配置得到更好隔震效果的控制技术就称为混合控制技术。常用有基底隔震与主动控制的组合，被动阻尼减震与主动控制的组合。第一种常用组合主要用于减少隔震层过大的位移。

也有在隔震体系上部结构设置层间主动控制拉筋的研究，以减少上部结构的层间相对位移。研究和应用最多的混合控制体系（HMD，Hybrid mass damper）是主动调谐质量体系(AMD，Active tuned mass damper)与被动调谐质量阻尼器(TMD，unedmass damper)的组合。

在混合控制体系中，主动控制装置可采用主动控制中的各种控制算法，但考虑到基底隔震建筑的强非线性特点，相应的主动控制宜使用非线性鲁棒控制。模糊控制、神经网络控制、自适应非线性控制等在混合隔震体系中的应用已有研究。混合控制体系充分发挥了组合中不同控制系统的优点，拓宽了控制体系的适用范围，进一步满足了结构安全性和功能性的要求。这符合未来防震减灾的发展方向-综合的隔震减灾技术。

3 结语

经过多年的研究和应用证明，振动控制技术可以有效地减轻结构在风、车辆、流冰、地震等动力作用下的反应和损伤积累，从而有效地提高结构的抗震能力和抗灾性能，是结构抗震减震和防灾减灾积极有效的方法和技术。基础隔震技术主要通过隔震装置提供柔性装置，使上部结构和下部结构分离，从而延长结构周期，以减小结构的地震反应，同时增加结构的阻尼，以控制由于周期延长产生的过大位移。隔震技术的理论研究和试验研究日益成熟，国内外已经建成上千座隔震桥梁和建筑等结构，并且有些已经经受过强震的考验，证明了减隔震控制的有效性。

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