结构振动控制的认识和思考

张义丽

（九江务实建设监理有限公司，江西九江 332100）

1 地震灾害

我国地处太平洋和欧亚两大世界地震带之间，是一个地震多发的国家。现代我国发生的大地震有：1976年唐山7.8级大地震，死亡24万多人，直接经济损失30亿元；2008年5月12日发生的四川汶川8级大地震，死亡6.9227万人，伤37.4643万人，失踪1.7923万人；2010年4月14日晨青海省玉树县发生两次地震，最高震级7.1级，造成2698人遇难，失踪270人。全球范围内近几年发生的大地震有：2010年1月12日海地7级大地震，死亡超过25万人；2011年3月11日日本东北9级大地震，造成的15741人死亡，并引发福岛核危机。

这些大地震造成的人员伤亡、房屋倒坍等给人们带来了巨大的经济损失，也带来了巨大的悲痛和心理伤害。作为从事结构设计的土木工程人员，应该把减小地震等自然灾害对人们造成的不可恢复的伤害降到最低为己任，多做防灾减灾的研究，推动结构抗震性能的提高。

2 抗震设计及结构控制

我国的 《建筑抗震设计规范》 （GB50011－2010）规定的基本抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经过一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。［1］一句话，结构要满足 “小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标。

抗震设计是通过对结构本身的调整，即对结构的布局、构件等设计使结构具备抵抗大震的能力。传统的抗震设计采取消极的对策，依靠结构自身性能 （强度、刚度、变形能力、耗能能力）来抵御地震作用，消耗地震能量，包括钢板剪力墙、箍筋加密区、剪力墙设置约束边缘构件等都是从增大强度、刚度和增大延性的角度出发的。这种传统的抗震设计理念，存在如下问题：一是基本烈度是不确定的，例如抗规用全国基本烈度区划图，而实际唐山、汶川地震都超出了原区划。二是不能保护内部重要装饰或重要设备仪器。三是大震后，结构或构件发生弹塑性变形甚至破坏。四是结构刚度大，材料浪费，不经济，扭转效应大。传统的结构抗震设计实际上是依靠结构本身和结构承重构件的损坏消耗大部分输入能量，如结构构件不可修复的损坏、塑性铰的产生等往往导致结构构件严重破坏甚至倒塌。而且，传统抗震方法只考虑结构本身在地震中出现的一定程度的破坏，而未考虑房屋内部设备仪器的抗震和房屋内人的舒适程度，这对于内部有重要装饰或重要设备仪器的建筑物并不适用。为此，人们在抗震问题研究中，除按规范对建筑结构进行抗震设计外，另外一个重要方面就是结构减震和结构控制。

结构体系受地面运动作用时输入结构的总能量与由结构耗散及储存于结构中的能量平衡，即：E1＝ES＋ED，其中E1为总输入能量；ES为结构储存的能量；ED为结构耗散的能量。结构储存的能量包括应变能和动能：ES＝EE＋EK，其中EE为弹性应变能；EK为动能。结构耗散的能量包括阻尼耗散的能量和滞回弹塑性变形的耗能：ED＝EC＋EH，其中EC为阻尼耗散的能量；EH为滞回弹塑性变形的耗能。为减轻结构地震反应，可以通过减少输入的地震能量E1（基础隔震）或增大EC或非结构构件的EH（耗能减震、结构控制）的途径来实现。［2］我国 《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010）第十二章为隔震和消能减震设计开辟了专门的章节，主要包括基础隔震、消能减震和吸震减震等内容。

3 结构振动控制的发展和应用

1972年，美籍华裔学者姚治平将现代控制理论应用于建筑结构，首次提出了结构振动控制的概念，开创了结构振动控制研究。几十年来，结构振动控制在理论和实验研究方面都取得了丰硕成果，其减震效果较传统抗震方法明显优越，改变了结构体系利用自身储存和消耗地震能量的传统抗震设计方法。结构振动控制技术从控制方式上可分为被动控制、主动控制和半主动控制与混合控制四种方式［3］，如图1所示。

图1 结构控制

结构振动控制理论经过十几年的发展，已应用于很多的实际工程项目中：粘弹性阻尼器首次应用于纽约世贸中心双塔结构中，安装了10000余个粘弹性阻尼器，以减小结构的风振反应。经历过多次台风检验，减振效果良好，实测结构阻尼3%左右［4］；肯考迪亚大学图书馆由一幢10层结构和一幢6层结构中间通过连廊连接组成，采用摩擦耗能器代替传统的剪力墙或普通支撑，结构中总共安装了143个起滑荷载为600～700kN的Pall摩擦耗能器，摩擦耗能器为结构提供了约50%的附加阻尼，有效地提高了结构的抗震性能［5］；为了减少强风对建筑物的影响，台北101大厦在87～92楼安装了一个巨大的钢球质量协调阻尼器，本身重量660公吨，系统总重量730公吨，由四十一层12.5公分厚钢板结合为球形，直径5.5公尺，总造价约三千万人民币，可以减少因地震、风吹摇晃所引起的摆幅40%［6］。

4 思考与小结

结构振动控制理论的提出、发展和应用，为结构抗震、抗风提供了除以增大构件截面积、提高材料强度等传统措施来增大结构刚度和承载力，从而用 “硬抗”的方式来减小地震作用对结构的破坏之外的另外一种抗震减震的思路方法。通过在结构中安装各种隔震、消能装置来达到减小在地震作用下的结构响应或高层建筑在正常使用过程中由于风致振动带来的不舒适感。笔者通过大量模型试算，认为：为了提高耗能支撑的控制效果，支撑应设置在结构第一振型向量幅值差较大的位置处。对于剪切型结构，可设置在结构的下部；对于弯曲型结构，可设置在结构的上部；对于弯剪型结构，可设置在层间位移较大的位置；为了尽量降低对建筑功能的影响，需与建筑方案相配合；阻尼器布置尽量周变化，分散化，减少对结构刚度中心和质量中心偏心的影响。

结构振动控制虽然说早在上世纪70年代就已提出理论并应用，而且我国最新的 《建筑抗震设计规范》已增加了隔震和消能减震设计的相关内容，但针对的阻尼器类别和隔震减震的方法规定还不完善，目前国内还处于研究探索阶段，没有大范围的应用，对多数的结构设计人员来说还比较陌生。为此，从事结构设计的我们更应该在以后的学习和工作中，学习研究和推广消能减震的方法，使的设计的结构获得更高的安全性和更好的经济效应。

〔1〕中华人民共和国国家标准 .建筑抗震设计规范（GB50011－2010）.北京：中国建筑工业出版社，2010.

〔2〕方小丹 .抗震工程概论教案 ［M］.广州：华南理工大学，2011.

〔3〕阎维明，周福霖，谭平 .土木工程结构振动控制的研究进展 ［J］.世界地震工程，1997，（02）：8－20.

〔4〕蔡泽文 .粘弹性阻尼器在土木工程中的应用 ［J］.山西建筑，2007，（29）：93－94.

〔5〕史春芳，徐赵东，卢立恒.摩擦阻尼器在工程结构中的研究与应用 ［J］.建筑与结构设计，2007，（09）：37－41.

〔6〕谢绍松，张敬昌，钟俊宏 .台北101大楼的耐震及抗风设计 ［J］.建筑施工，2005，（10）：7－9.