隔震、消能减震与结构控制体系——终止我国城乡地震灾难的必然技术选择

周福霖

隔震、消能减震与结构控制体系
——终止我国城乡地震灾难的必然技术选择

周福霖

周福霖，中国工程院院士，广州大学工程抗震研究中心主任、教授。曾任联合国工业发展组织（UNIDO）隔震技术顾问，现任国际隔震减震控制学会（ASSISI）主席、中国建筑学会抗震防灾分会结构减震控制委员会主任委员、中国土木学会减震防灾技术推广委员会主任委员。湖南大学土木工程工民建本科毕业，加拿大不列颠哥伦比亚大学（UBC）结构与抗震研究生毕业。长期从事土木结构工程、结构抗震、隔震和减震控制的研究。曾主持国家973项目、国家12.5项目、国家自然科学基金重点项目、联合国科技开发项目、中外隔震减震国际合作项目。曾获国家科技进步奖、建设部、教育部科技进步奖等十多项。曾出版中英文著作4部，文章150多篇。

中国不断重复的地震灾难

我国地处世界两大地震带——环太平洋地震带和地中海－喜马拉雅地震带的交汇区域，是世界上地震活动最频繁的国家之一。自从我国有地震记录以来，死亡人数在20万以上的灾难性大地震有：1303年山西洪洞大地震、1556年陕西华县大地震、1920年宁夏海原大地震、1976年唐山大地震等。20世纪，全世界由于地震死亡的人数中，中国人约占60%。近几十年来，我国高震级地震频发，如邢台地震、海城地震、唐山地震、汶川地震、玉树地震、芦山地震、鲁甸地震等，均造成了大量人员伤亡和巨大经济损失。

我国陆地面积约占全世界的1/14，而大陆破坏性地震却占了全世界的1/3。我国是世界上地震风险最高的国家，平均每5年发生1次7.5级以上地震，每10年发生1次8级以上地震。历史上，我国各省、直辖市和自治区均发生过5级以上的破坏性地震。我国地震主要有以下几方面的特点：（1）多为浅源地震，震级高、破坏性大；（2）震级和烈度远高于原预期值，造成大灾难；（3）我国城乡人口集中，房屋密集，地震时伤亡惨重；（4）地震时人员伤亡有90%是由于房屋破坏倒塌以及伴随的次生灾害造成的，而我国城乡大量房屋设防标准偏低，房屋抗震能力普遍不足，小震大灾、中震巨灾的现象在我国频频发生，给人民生命财产带来巨大损失，也给国家社会稳定造成巨大影响。一次6～7级地震，在发达国家仅造成几人至几十人死亡，而在我国可能造成数千人乃至数万、数十万人伤亡，导致地震大灾难。这迫使我们要从一次次地震灾难中吸取教训，对原有的抗震设防要求和抗震技术体系，进行反思和创新。我国正处于建设小康社会、步入以人为本的时期，我们这一代人有责任，在中国这片国土上，终止地震造成的一次次重复的大灾难！

传统抗震技术体系及其存在的问题

在18世纪工业革命时期，以英国为中心，发展了现代科学技术。但英国等欧洲国家处于非地震区域，致使防震技术在第一次工业革命未被启动。至19—20世纪，技术革命向存在地震危险的美国、日本等国家扩展，防震技术有了长足发展，先建立了强度抗震体系（20世纪30年代），后又发展了强度-延性抗震体系（20世纪70年代），即现在的传统抗震体系。我国近二百年，闭关自守，内忧外患，贫穷落后，近代防震技术几乎处于空白，直至新中国成立，先后从前苏联、美国、日本等引进防震技术，经过不断发展完善，建立了与世界各国类似的强度-延性抗震体系，即传统抗震技术体系。这个抗震体系，为我国减轻地震灾害，做出了重要贡献。但由于我国国情，这个抗震体系仍未能终止我国一次次重复的地震大灾难。

传统抗震技术体系

一般建筑结构，在地震发生时，强地面运动引起结构的地震反应，结构固接于基础之上，尤如一个地面地震反应“放大器”，结构的地震反应随着高度将逐级被放大至2倍以上（图1a）。中小地震发生时，虽然主体结构可能还未破坏，但建筑饰面、装修、吊顶等非结构构件可能破坏而造成严重损失，室内的贵重仪器、设备可能毁坏而使用功能中断，甚至导致更严重次生灾害。当大地震发生时，主体结构可能破坏乃至倒塌，导致地震灾难。为了减轻地震灾害，人们先后发展了下述抗震技术体系：

（1）抗震“强度”体系：通过加大结构断面和配筋，增大结构的强度和刚度，把结构做得很“刚强”，以此来抗御地震，即“硬抗”地震（图1b）。这种体系，由于结构刚度增大，也将引起地震作用的增大，从而可能在结构件薄弱部位发生破坏而导致整体破坏。在很多情况下，这样“硬抗”地震很不经济，有时也较难实现。

（2）抗震“延性”体系：容许结构构件在地震时被损坏，利用结构构件损坏后的延性，结构进入非弹性状态，出现“塑性铰”，降低地震作用，使结构“裂而不倒”（图1c）。对比“强度”体系，结构“延性”体系仅需要较小的断面和配筋，更为经济。“延性”体系从20世纪70年代建立，已成为我国和世界很多国家采用的“传统抗震体系”。它的设计水准是：在设定设计地震烈度下，小地震时不坏，中等地震时可能损坏但可修复，大地震时明显破坏但还不致倒塌。但超大地震时就无法控制了。

传统抗震技术体系存在的问题及对策

传统抗震技术体系长期存在下述难以解决的问题：

（1）结构安全性问题。在设计烈度内，这种传统抗震体系能避免结构倒塌，但当遭遇超过设计烈度的地震时，将可能导致成片建筑结构倒塌，引发地震灾难。如2008年我国5・12汶川地震，地震前的汶川是一个美丽的县城，地震后成为一片废墟。

（2）建筑破坏问题。在地震作用下，传统抗震结构钢筋屈服和混凝土裂缝，结构出现延性，国内外专家早就指出“延性就是破坏”，导致建筑物结构在震后难以修复，虽未倒塌但又不能使用，成为“站立着的废墟”。2008年汶川地震后，宜宾县隆兴乡震后援建的博爱学校，使用仅4年，在2013年芦山地震中破坏严重，其塔楼及结构底层柱有明显破坏，震后修复非常困难（图2）。

图1　传统抗震体系

（3）建筑功能丧失问题。在地震作用下，传统抗震结构的非弹性变形和强烈振动，引起建筑中的非结构构件及装修、吊顶等的破坏，以及室内设备、仪器、瓶罐等的掉落破坏，必然导致建筑使用功能甚至城市功能的丧失，引起直接或间接的人员伤亡或灾难。例如，地震时医院、学校、指挥中心、网络、试验室、电台、机场、车站、电站等的破坏，会导致现代城市瘫痪或社会灾难，后果是难以想象的！

上述传统抗震技术体系存在的问题，在我国凸显严重，原因是：

（1）我国建筑物的抗震设防标准偏低。除少数地区外，我国大部分地区的设计地震动加速度为0.10 g；而日本、智利为0.30 g，土耳其为0.20～0.40 g，伊朗也已提高为0.35 g。也即，我国建筑物地震设防标准（地震动加速度）仅为世界其他多地震国家设防标准的1/2～1/4。如果同样的地震发生在我国，建筑物的破坏和人员伤亡，要比其他国家要严重得多！

（2）我国很多灾难性地震发生在中、低设防烈度区，或频繁发生超设防烈度的大地震，引发大灾难。唐山的设防烈度为Ⅵ度（地震动加速度0.05 g），1976年唐山大地震震中烈度达Ⅺ度（地震动加速度估计为0.90 g）；汶川的设防烈度为Ⅶ度（地震动加速度0.10 g），2008年5・12地震震中烈度达Ⅺ度（地震动加速度0.90 g）；青海玉树的设防烈度为Ⅶ度（地震动加速度0.10 g），2010年玉树地震烈度达Ⅸ～Ⅹ度（地震动加速度0.50～0.80g ）；四川芦山的设防烈度为Ⅶ度（地震动加速度0.10 g），2013年芦山大地震破坏烈度达Ⅸ～Ⅹ度（地震动加速度0.60～0.90 g）；云南鲁甸的设防烈度为Ⅶ度（地震动加速度0.10 g），2014年8・3鲁甸大地震破坏烈度为Ⅸ～Ⅹ度（地震动加速度0.60～0.80 g）。即实际地震的地震动加速度值为设计值的6～18倍！按照传统抗震技术建造的结构，哪能防御这种超级大地震？大灾难不可避免！

目前，我国大面积、大幅度提高设计标准，还不现实，再加上传统抗震技术体系长期存在难以解决的问题，在中国这片国土上，要终止地震造成的一次次重复的大灾难，必须在原来采用传统抗震技术体系的基础上，大力推广采用创新的防震技术新体系——隔震、消能减震、结构控制技术体系——四十年来世界地震工程最重要的创新成果之一！

图2　2009年新建的隆兴乡博爱学校在2013年芦山地震中塔楼及结构柱破坏情况

图3　建筑结构、桥梁隔震原理

隔震技术及其应用

隔震技术体系

隔震体系是指在结构底部或某层间设置由柔性隔震装置（如叠层橡胶隔震支座）组成的隔震层，形成水平刚度很小的“柔性结构”体系（图3a）。地震时，上部结构“悬浮”在柔性的隔震层上，只做缓慢的水平整体平动，从而“隔离”从地面传至上部结构的震动，使上部结构的震动反应大幅降低，从而保护建筑结构、室内装修、非结构构件、室内设备、仪器等不受任何损坏，使隔震结构在大地震中成为“安全岛”。隔震体系把传统抗震体系通过加大结构断面和配筋的“硬抗”概念和途径，改为“以柔克刚”的减震概念和途径，是中华文化“以柔克刚”哲学思想在结构防震工程中的成功运用。从结构动力学分析，隔震结构是把结构的自振周期大大延长（即“柔性结构”），从TS1延长至TS2，则结构加速度反应将从X¨S1降为X¨S2，降为原来传统抗震结构加速度反应的1/4～1/8（图3b），结构抗震性能大幅提高（图4）。

早在一二千年前，我们祖先就成功地应用隔震减震的概念和技术建成了遍布全国各地的宫殿、寺庙、楼塔等建筑，经历多次地震而成功保存下来。现代隔震技术是20世纪80年代出现的一项新技术，多年来，世界各国学者对此项技术开展了广泛、深入的研究，并已在工程中推广应用。

我国近代隔震技术与国际基本同时起步，但发展较快。我国首幢砂垫层隔震建筑由李立教授主持于1980年建成；由刘德馨、曾国林主持的石墨砂浆滑移层隔震房屋于1986年建成；我国最初建成的这几幢隔震房屋至今尚未经历地震考验，而由于砂垫层或砂浆滑移层在地震后没有复位功能，故未能推广应用。由本文作者主持，于1989—1993年在汕头市建成的我国第一幢夹层橡胶垫隔震房屋，在1994年9月6日中国台湾海峡7.3级地震中经受了考验。此后，相继在云南、河南、新疆、四川、山西、北京、福建等地建成了多幢夹层橡胶支座隔震房屋，有些还成功经历地震考验。目前，隔震房屋已逐渐在我国推广应用，至2015年年底，已建成隔震建筑超过6000栋。

与传统抗震结构相比，隔震结构有下述的优越性：

（1）确保建筑结构在大地震时的安全。隔震体系可使结构的地震反应降为传统结构地震反应的1/4～1/8，使隔震结构有很宽的“防巨震安全极限边界”，在超烈度大地震时成为“安全岛”，保护几代人的生命和财产安全！

（2）地震时上部结构保持弹性，结构在地震中不损坏，避免震后很困难的修复工作。

（3）可实现性能化防震设计，实现地震设防的“双保护”，即既保护结构安全，也保护非结构构件、室内设备仪器等的使用功能不中断。这对于医院、学校、指挥中心、网络、实验室、广播电视台、机场、车站、电站、各种生命线工程等尤为重要，能避免大地震发生时城市功能陷于瘫痪，避免大地震发生时的直接灾害或次生灾害。

（4）适用于规则建筑结构，也适用于非规则建筑结构。隔震后的结构地震反应大幅降低，结构的水平变形（层间变形或扭转变形等）都集中在柔软的隔震层而不发生在建筑结构本身，从而保护功能要求较高的复杂建筑结构，在地震中不被损坏。这适合于保障学校、医院、高档住宅、办公大楼、影剧院、机场、交通枢纽等的地震安全。

（5）采用隔震技术，投资增加不多。当隔震技术应用于防震性能要求较高或高烈度地区时，还能降低建筑结构造价。

（6）隔震技术不仅可用于新建建筑，也可用于对既有结构进行隔震加固，能大幅提高地震安全性。在达到基本相同的要求下，造价比传统方法更低。

隔震技术的工程应用

中、美、日、意和新西兰等国家已较多采用隔震技术，表1列出了中、美、日三国隔震工程应用的情况。经过40余年的发展，中国的隔震技术已迈入了国际先进行列，其应用领域广泛。

图4　隔震体系与传统抗震体系的对比

表1　中国、美国、日本隔震结构应用统计表（截至2015年）

隔震技术主要应用于住宅、学校、医院、高层建筑、复杂或大跨建筑、桥梁结构、核电站、重要设备、历史文物与古迹保护和乡镇民房等，有些隔震工程还成功经受了地震考验。举例如下：

（1）住宅建筑及学校、医院等公用建筑。

【实例1】我国第一栋橡胶支座隔震房屋，钢筋混凝土框架隔震结构，8层住宅（图5），位于广东省汕头市，是联合国工业发展组织（UNIDO）隔震技术国际示范项目，1989立项，1993建成使用，是当年世界最高的隔震住宅楼。1994年9月16日，发生台湾海峡7.3级地震。传统抗震房屋晃动激烈，人站不稳，青少年跳窗避险，学校孩子逃跑踩踏，死亡及受伤共126人。但隔震房屋内的人毫无震感。震后，从窗外看到马路上挤满惊恐逃跑的人们，才知道刚才发生了地震，因此住户普遍认为住在隔震楼内很有安全感。

图5　我国第一栋橡胶支座隔震房屋，8层住宅

图6　北京地铁地面枢纽站大面积平台上隔震住宅楼

【实例2】乌鲁木齐石化厂隔震住宅楼群，2000年建成，共38栋18万平方米，为当年全球面积最大的隔震住宅群，采用了基础隔震形式，结构地震反应降为1/7。在7～8级大地震时也可保障人们生命和财产的安全。

【实例3】北京地铁地面枢纽站大面积平台上隔震住宅楼（通惠家园），建于2001年，隔震建筑面积48万平方米，是当年世界面积最大的层间隔震建筑群，隔震层设在二层平台顶部（图6），采用三维隔减震体系，结构地震反应降为1/6，火车引起的振动降为1/10，既确保地震安全，也避免地铁振动干扰。

【实例4】芦山县人民医院门诊楼，为2008年汶川地震后澳门援建的医院建筑（图7），包括采用了橡胶支座隔震技术的门诊楼1栋，采用抗震（未隔震）的住院楼2栋。2013年芦山地震中，抗震的2栋住院楼破坏严重，功能中断和瘫痪，而隔震的1栋门诊楼，结构和室内设备仪器完好无损，震后马上投入紧张繁重的医疗抢救工作，隔震门诊楼成为震后全县急救医院。医院曾院长说：“地震后全县所有医院都瘫痪了，就剩这栋隔震楼，成为全县唯一的急救中心，如果没有这栋隔震楼，灾后就无法对重伤员进行抢救了，后果真是不堪设想……”

【实例5】汶川第二小学，钢筋混凝土多层教学楼，共7栋，全部采用隔震技术，2010年建成。老师对学生说：“地震时，千万不要往外跑！我们待在隔震楼里，屋里比屋外更安全。”在2013年4月20日，发生7.0级芦山地震，根据安装在几个建筑物（隔震和抗震）中的仪器获得的地震反应记录，隔震楼的地震反应，只有相邻的抗震房屋地震反应的1/6～1/8，所有隔震楼完好无损，隔震楼就像“安全岛”。

图7　芦山县人民医院隔震与抗震楼

图8　昆明新机场隔震航站楼

（2）复杂建筑。

【实例6】昆明新机场隔震航站楼，隔震建筑面积50万平方米，是目前世界最大的单体隔震建筑（图8）。因为靠近地震断层，地震危险性较大。采用隔震技术，能够在大地震时保护结构安全、保护上部曲线彩带钢柱不损坏、保护特大玻璃不破坏、保护大面积天花板不掉落，还要在大地震时保护内部设备仪器不晃倒掉落损坏、确保地震后航运功能不中断等要求。2015年3月9日，云南嵩明县发生4.5级地震，昆明新机场隔震航站楼的仪器记录如下：地震时，楼面加速度反应，降为地面加速度反应的1/4，显示非常明显的隔震效果。

2015年开工建设的北京新机场，航站楼约70万平方米，采用全隔震技术。建成后将成为全球最大的单体隔震建筑，将会是隔震技术在全球范围内的新范例。

即将建设的海南海口美兰国际机场（二期），新航站楼约30万平方米，也采用全隔震技术。

我国高烈度地区的新建机场，有采用全隔震技术的趋势。这将大大提高我国机场的防御地震的能力，确保大地震发生时机场航运功能不中断，大大提高我国城市防震减灾能力，造福子孙后代！

（3）长大桥梁结构。

【实例7】港珠澳大桥，长约26 km，桥梁采用隔震技术，是目前世界最长的隔震桥梁。隔震支座设置在桥墩顶部。地震时，把可能发生在桥墩底部出现变形裂缝，转变为在桥墩顶部的隔震支座的水平变形，使桥墩保持弹性状态，避免浸在海水中的桥墩底部出现难以修复的损坏（图9a），并把桥梁的地震反应大幅降低。广州大学对港珠澳大桥分别做了隔震和抗震的振动台对比试验研究（图9b），试验结果表明，隔震与非隔震的地震反应比为1/5，防震安全性大幅提高，能确保桥梁在大地震时的安全。

（4）核电站地震保护。

2007年日本新潟地震，引发了核事件。2011年3月11日日本东海大地震，引发福岛核电站（建于20世纪70年代）第一核电站三号机组爆炸，震惊了全世界。但新建的福岛核电站指挥部大楼采用隔震技术，在这次地震中表现极为出色，结构及装修无任何损坏，内部设备仪器无一掉落，完好无损，保证了指挥系统功能照常运行，成为地震后的指挥中心。

利用核能，有人称之为“人与魔鬼打交道”，必须做到万无一失。采用隔震技术，被国内外认为是保护核电站地震安全的最有效途经之一。经深入研究分析和部分应用得知，核电站采用整体隔震体系，可使核电站结构和内部设备仪器的地震反应降为原来的1/6～1/8，可使核电站场地的容许地震动加速度从0.20 g提高至0.80 g，即也意味着，可在高烈度地震区建设核电站。隔震技术也有利于核电站结构与设备设计的标准化，可以保障核电站地震安全，展现了光辉的前景！

目前，世界已建成3座隔震核电站，还有多个采用隔震技术的核电站正在施工或设计中。

（5）乡镇农村房屋隔震技术。

我国广大农村地区的农民住房，抗震问题非常严重。农村建房缺技术，建材多为砖石木等，无正规设计和施工，抗震性能很差。小震大灾、中震巨灾的现象在我国农村地区频频发生，广大农民并未分享现代科学技术进步的成果。如何把隔震技术应用于我国广大农村地区，保护农民生命和财产安全，是我们这代人的重要任务。

广州大学和相关单位部门合作，对我国农村房屋隔震技术进行了多年的研究、试验和应用，取得了可喜的进展。已开发了适合我国广大农村地区的“弹性隔震砖”技术体系。

【实例8】适合农村地区的“弹性隔震砖”技术体系（图10）。该体系设计施工简单、无需大型建筑机械、农民工匠可自建、造价低廉。地震振动台实验表明，应用“弹性隔震砖”的简易砖房，能经受Ⅶ～Ⅷ度烈度的影响而完好无损。

可以预期，“弹性隔震砖”技术的推广应用，将为我国广大农村房屋的地震安全、建设美丽并安全的新农村、保护广大农民生命和财产、终止我国地震造成的一次次重复的大灾难，展现未来的美景！

图9　港珠澳大桥隔震体系及振动台试验

图10　乡镇农村 “弹性隔震砖”隔震房屋

消能减震技术及其应用

消能减震体系

结构消能减震体系，是把结构的某些非承重构件（如支撑、剪力墙等）设计成消能构件，或在结构的某些部位（节点或联结处）安装耗能装置（阻尼器等），在风荷载或小地震时，这些消能杆或阻尼器仍处于弹性状态，结构仍具有足够的侧向刚度，以满足正常使用要求。在中强地震发生时，随着结构受力和变形的增大，这些消能构件和阻尼器率先进入非弹性变形状态，产生较大阻尼，消耗输入结构的地震能量，使主体结构避免进入明显的破坏，并迅速衰减结构地震反应，从而保护主体结构在强烈地震中免遭过度破坏。

传统抗震结构是通过梁、柱、节点等承重构件产生裂缝、非线性变形来消耗地震能量的，而消能减震结构是通过耗能支撑、阻尼装置等产生阻尼，先于承重构件损坏而进行耗能，衰减结构震动，从而起到保护主体结构的作用（图11）。

图11　消能减震体系的减震机理

与传统的抗震体系相比较，消能减震体系有如下的优越性：

（1）传统抗震结构体系是把结构的主要承重构件（梁、柱、节点）作为消能构件的，地震中受损坏的是这些承重构件，甚至导致房屋倒塌。而消能减震体系则是以非承重构件作为消能构件或另设耗能装置，它们的损坏过程是保护主体结构的过程，所以是安全可靠的。

（2）消能构件在震后易于修复或更换，使建筑结构物迅速恢复使用。

（3）可利用结构的抗侧力构件（支撑、剪力墙等）作为消能构件，无须专设。

（4）可衰减结构的地震反应20%～50%。

由于上述的优越性，消能减震体系已被广泛用于高层建筑、大跨度桥梁等结构的地震保护中。

消能减震体系的工程应用

消能减震结构体系按照所采用的减震装置，可以分为“速度相关型”和“位移相关型”。速度相关型阻尼器，主要有粘滞型阻尼器（其耗能能力与速度大小相关），包括油阻尼器，粘弹性阻尼器等。位移相关型阻尼器（其耗能能力与位移大小相关），包括金属屈服型阻尼器（包括软钢阻尼器、铅阻尼器，屈曲约束支撑BRB，形状记忆合金SMA等），摩擦阻尼器等。近年来，以陈政清为代表的团队研发了高灵敏、高效能、高耐久性的电涡流阻尼减震装置，将是耗能减震领域的革命性突破。

美国是开展消能减震技术研究较早的国家之一。早在1972年竣工的纽约世界贸易中心大厦的双塔楼安装了粘弹性阻尼器，有效地控制了结构的风振动反应，提高了风载作用下的舒适度。日本也是应用消能减震技术较多的国家。31层的Sonic办公大楼共安装了240个摩擦阻尼器，日本航空公司大楼使用了高阻尼性能阻尼器。加拿大也较早研究摩擦消能减震支撑并大量应用，世界各国应用消能减震的工程案例不胜枚举。

本文作者通过多方面的试验研究，提出了在高层建筑中设置“钢方框消能支撑”进行消能减震，并完成了足尺模型的试验。于1980年在洛阳市建成我国第一栋设置有钢方框消能支撑的厂房结构。

我国自20世纪80年代起，一直致力于消能减震技术的研究工作和工程应用实践。目前已自行研发出了一些消能减震装置，并提出了与之适应的新型消能减震结构体系，完成了多项消能装置的力学性能试验和减震结构的模拟振动台试验研究，获得了大量有学术价值的研究成果。

消能减震技术在我国结构中的应用范围和形式越来越广泛，在各种重要建筑及大跨桥梁中均有较多的应用。目前全球建成的消能减震房屋和桥梁约有20000余座。

【实例9】消能减震支撑在房屋结构减震中的应用（图12）。

【实例10】粘滞阻尼器应用于控制斜拉桥位移量和控制桥梁纵飘反应（图13）。

控制技术的发展和应用

随着高强轻质材料的采用，高层、超高层等高柔结构及特大跨度桥梁不断涌现，如果采用传统的“硬抗”途径（加强结构断面，加强刚度等）来解决风振和地震安全问题，不仅很不经济，而且效果差，常常难以解决问题。而巧妙的结构控制技术，为解决超高、超长结构的风振和地震安全问题，提供了一条崭新的途径。

结构控制是指在结构某个部位设置一些控制装置，当结构振动时，被动或主动地施加与结构振动方向相反的质量惯性力或控制力，迅速减小结构振动反应，以满足结构安全性和舒适性的要求。其研究和应用已有40多年的历史。

图12　房屋结构中的消能减震支撑

图13　斜拉桥中的油阻尼器

图14　广州塔混合控制

结构振动控制，主要是为了满足高层超高层建筑、电视塔等高耸建筑结构的抗风、抗震性能。按照是否需要外部能量输入，结构控制可分为被动控制（免外部能量输入）、主动控制（需外部能量输入）、半主动控制（改变结构刚度或阻尼）和混合控制（被动控制加主动控制）等4类：被动控制系统主要有调谐质量阻尼器（TMD）、调谐液体阻尼器（TLD）等；主动控制系统主要有主动质量阻尼系统（AMD）、混合质量阻尼器（HMD）等；半主动控制系统主要有主动变刚度系统（AVS）、主动变阻尼系统（AVD）等；混合控制是将主动控制和被动控制同时施加在同一结构上的控制形式。

全球首次将控制技术应用到建筑结构，建成于1989年的日本东京Kyobashi Center，采用了AMD控制系统。之后，控制技术在全世界及我国得到了广泛的发展和应用。

【实例11】2009年建成的广州塔是我国在超高层建筑中成功应用混合控制技术的典范（图14）。由广州大学、哈工大、广州市设计院和ARUP等单位合作，为该塔的风振和地震安全控制研发了新型主动加被动的混合控制系统（HTMD）。

广州塔采用混合控制体系，是经过多方比较分析的。如果采用被动控制（免外部能量输入）的调谐质量阻尼器（TMD）体系，技术成熟可靠，造价低，但只能减震10%～30%，对桅杆是满足要求的，但对主体结构达不到减震要求。如果采用主动控制（需外部能量输入）的主动质量阻尼系统（AMD），能减震30%～60%，但技术成熟性和可靠性较差，造价也高。经过深入分析和试验研究，采用混合控制体系（HTMD），即在被动调谐质量装置（TMD）上再设置一小质量的主动调谐系统（AMD），可达到技术成熟性和可靠，减震效果达到要求，能减震20%～50%，造价也不高。该体系还巧妙地利用塔顶2个消防水箱（各600吨）作为调谐质量，不必额外专门制设钢制质量球，更加经济。

广州塔利用塔顶水箱作为调谐质量的混合控制系统HTMD（TMD+AMD），从形式上看是双层调谐质量在运动。通过小质量块的快速运动产生惯性力来驱动大质量块的运动，从而抑制主体结构的振动。当主动调谐控制系统失效时，就变为被动调谐质量阻尼器（TMD），因此具有Fail—Safe（失效仍安全）的功能。这保证该系统在很不利的条件下，都能正常运行，可靠性很高。

通过结构分析和振动台试验表明，广州塔在用了HTMD系统后可有效减震20%～50%。该塔建成后，经历了多次大台风的考验，实测有效减震30%～50%。这进一步实际验证了HTMD应用在高耸结构上的有效性、可靠性和经济性。

图15　维修代价趋势图

抗震、隔震、减震的技术比较和未来的技术选择

（1）抗震、隔震、减震技术比较。

抗震：结构自振周期很难远离地面卓越周期，地震时容易发生一定程度的共振，结构震动反应可放大至200%以上，大地震时会严重威胁结构和内部设施的安全。

消能减震：通过增大结构阻尼来消耗能量，以减轻结构地震反应，可减震20%～50%（即降低至80%～50%），但结构震动放大系数仍大于1，为1.20～1.80。能实现降低结构位移（地震变形）反应的目标，减少结构的破坏程度，提高结构的抗倒塌安全性。

隔震：通过延长结构自振周期，避开振动共震区，有效隔离地震。可减震75%～90%（即降至25%～10%或1/4～1/8），大幅提高结构安全性。震动放大系数远小于1，为0.10～0.30。能大幅减低结构加速度反应（地震作用）的目标，既能在大地震中保护结构安全，也能保护内部设施完好无损，使用功能不中断。

（2）抗震、隔震、减震结构地震损坏维修代价比较。图15为日本Yusuke WADA教授对日本传统抗震结构与减震、隔震结构在震后维修代价随地震烈度变化的趋势图。可以看出：

在烈度较小地震时，抗震结构尤其是延性设计的结构就会发生损坏，包括非结构构件或室内设备仪器，震后维修代价较大；而减震结构的损坏较轻微，震后维修费用较低；而隔震结构完好无损。

当烈度较大地震时，延性设计的结构破坏程度就会加剧甚至倒塌，直到失去维修价值；而减震结构在较大烈度地震时的破坏主要还是减震装置的破坏，在经历地震后，只需更换、维修损坏的减震装置；而隔震结构完好无损。

在影响烈度特高地震时，延性设计的抗震结构已经倒塌；减震结构比强度设计的抗震结构破坏程度轻些，维修代价低于抗震结构；而隔震结构仍然完好，仅在隔震层（隔震支座或柔性管线连接等）有轻微损坏，稍加维修即可恢复正常。

（3）减轻或终止我国地震灾难的技术选择。

近年来，世界各地及我国地震频发。目前我国要在全国范围内大幅度提高城乡抗震设防标准，仍有难度，但对于有可能出现的巨灾不可不防。传统强度设计和延性设计已不能满足我国大规模城乡建设对抗震的要求，而隔震、减震及控制技术正好弥补了传统抗震技术所不能满足的技术要求。

隔震、减震及结构控制技术是四十年来地震工程领域的重大创新成果，是城乡建筑大幅提高地震安全性、防止地震破坏的最有效途径，是终止我国城乡地震灾难的必然技术选择！在2015年第14届国际隔震减震与控制大会上，国内外专家一致认为：“工程结构，包括既有结构，广泛采用隔震减震技术的时代来临了！”