劉宏昌

（廣東省輕紡建筑設(shè)計院，廣東 廣州 510080）

1 前言

我國是多地震國家，地震區(qū)分布廣大，歷次大地震給人民生命財產(chǎn)帶來了巨大的損失.傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法，單純利用提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的抗力來消極地抵抗地震作用，對于隨機性很強、發(fā)生概率很小的強震作用，既不經(jīng)濟也不全面。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計是將結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)計得具有足夠的延性，在強震作用下這些部位形成穩(wěn)定的塑性鉸，依靠彈塑性變形來耗散地震能量。這種傳統(tǒng)的以“抗”為途徑的抗震設(shè)計方法在很多情況下是有效的，然而在強震作用下難以保證結(jié)構(gòu)不損壞，人員、設(shè)備、儀器的安全，不符合現(xiàn)階段的基于性能的抗震設(shè)計思想。

2 現(xiàn)代抗震技術(shù)

現(xiàn)代抗震結(jié)構(gòu)用的是一種“以柔克剛”的思想，即在建筑結(jié)構(gòu)的運動中抵抗地震作用力。它可以從不同角度進行分類，通常按控制系統(tǒng)是否需要外部能源和激勵，可分為四類:被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制。

2.1 被動控制

被動控制是指不需要輸入外部能源的控制技術(shù)，其控制過程不依賴結(jié)構(gòu)的振動反應信息及動荷載信息，而是靠被動地吸收或消耗輸入結(jié)構(gòu)的能量來達到減震的目的。被動控制造價低廉，技術(shù)簡單，性能可靠，是目前工程實際中應用廣泛的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)之一。被動控制主要包括基礎(chǔ)隔震、耗能減震和吸能減震技術(shù)，及其組合的聯(lián)合控制技術(shù)。

2.1.1 基礎(chǔ)隔震

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是通過在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層來保證建筑物在地震時的安全和使用功能。這些裝置可以把建筑物上下部分完全或部分分割開，以改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力特性或動力作用。并且在水平方向為柔性且發(fā)生較大變形的情況下，比較剛性而又穩(wěn)定地承受建筑物的重量。隔震層可設(shè)在結(jié)構(gòu)內(nèi)或結(jié)構(gòu)外。在結(jié)構(gòu)外設(shè)隔離層有兩種方法，一種方法是在結(jié)構(gòu)物四周挖很深的槽，可在槽中灌沙或埋入屏蔽板等，將長周期為卓越的那部分表面波隔斷，但這種方法不能屏蔽直下型輸入波的輸入。另一種方法是采用軟弱地基。這種地基有減少地震輸入的效果，但是為了保證對建筑結(jié)構(gòu)有長期支承能力，有必要對地基塑性位移的發(fā)生加以限制。隔震層還可設(shè)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這種結(jié)構(gòu)是現(xiàn)在普遍采用的結(jié)構(gòu)，如在上部建筑物和基礎(chǔ)之間設(shè)摩擦滑移隔震層或橡膠隔震支座等。摩擦滑移隔震技術(shù)就是通過滑移或滾動隔震層，容許建筑物在發(fā)生地震時相對于地面做整體水平滑動，從而限制地震作用向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，并通過摩擦（及阻尼限位裝置）耗散地震能量來達到隔離地震的目的。這種摩擦隔震技術(shù)簡單易行、造價低廉，其隔震效果主要取決于摩擦系數(shù)，且受地面運動頻率特性的影響較小，幾乎不會發(fā)生共振現(xiàn)象。但是，純摩擦隔震層的滑移量大，且震后不能自動復位。為克服上述缺點，一種與土建相結(jié)合的短柱類隔震技術(shù)得到了發(fā)展。它綜合利用了摩擦耗能與彈塑性耗能的復合技術(shù)，造價低廉，適合施工現(xiàn)場制作、安裝。橡膠隔震支座是二十世紀五十年代出現(xiàn)的一種使隔震技術(shù)走向成熟的新技術(shù)，它利用橡膠墊較大的豎向剛度來承受上部結(jié)構(gòu)的荷載，并通過其自身的水平柔性來隔離水平地震作用向上部結(jié)構(gòu)的傳遞。目前，隨著國產(chǎn)橡膠墊產(chǎn)品的研制開發(fā)成功及產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的形成，橡膠墊隔震技術(shù)在我國已進入批量推廣應用階段，并成為隔震技術(shù)應用的主流。據(jù)統(tǒng)計，僅1997-2000年橡膠墊隔震建筑的數(shù)量占整個隔震建筑的90%以上。

2.1.2 耗能減震

耗能減震技術(shù)是指通過一定手段，把地震能量削弱減小，使建筑結(jié)構(gòu)在地震中得到保全。我們知道在地震爆發(fā)前，地面下的活動斷層下蘊藏著巨大的能量。一種直接的消能法就是在活動斷層上打深孔，往孔中注水，誘發(fā)小地震，釋放地震能量。這主要是水減小了斷層上下盤之間的摩擦，使之在較小的地震能量下產(chǎn)生滑動。這種方法技術(shù)上不成熟，投資亦大，還沒有到實用階段。耗能減震技術(shù)通常采用的方法是在結(jié)構(gòu)中（或附著在結(jié)構(gòu)上）設(shè)置耗能構(gòu)件，即把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件（如支撐，連接件等）設(shè)計成消能構(gòu)件，或在結(jié)構(gòu)的某些部位（層間空間，節(jié)點，連接縫等）裝設(shè)消能裝置。在風或小地震作用時，這些消能構(gòu)件處于彈性狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)物具有足夠側(cè)向剛度，當出現(xiàn)中、強地震時，消能構(gòu)件產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，使主體結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài)，迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應（位移，速度，加速度）。這種技術(shù)一方面吸收了傳統(tǒng)的延性結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，同時又克服了延性構(gòu)件損壞后難以修復的缺點，具有性能穩(wěn)定、技術(shù)條件簡單、適用范圍廣、經(jīng)濟可靠等優(yōu)點。根據(jù)耗能機理的不同，耗能裝置可分為四類:粘滯耗能器、粘彈性耗能器、摩擦耗能器、金屬耗能器。

2.1.3 吸能減震

吸能減震技術(shù)是由附加在結(jié)構(gòu)中的子系統(tǒng)吸收結(jié)構(gòu)的一部分振動能量，以減小結(jié)構(gòu)反應的控制技術(shù)。但是由于地震的隨機性，且地震波由各種頻率的波混合而成，調(diào)諧目標只能控制結(jié)構(gòu)物的某些振型。目前吸能減震裝置主要包括調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）、調(diào)頻液體阻尼器（TLD）、液壓質(zhì)量控制系統(tǒng)（RMS）、質(zhì)量泵（MP）等。調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）是由彈性元件、阻尼器和質(zhì)量塊所組成的振動系統(tǒng)，將其固有頻率調(diào)整到接近于結(jié)構(gòu)的自振頻率，使結(jié)構(gòu)振動時引起TMD共振，這時它的慣性力又反作用于結(jié)構(gòu)本身，起到減小結(jié)構(gòu)反應的目的。1988年，Clark又提出用大量自振頻率分布于所控結(jié)構(gòu)模態(tài)自振頻率附近的小TMD振子來抑制模態(tài)的振動?，F(xiàn)在TMD的慨念還在不斷擴展，如適用于舊房增層和抗震加固的層間隔震技術(shù)，以及利用頂部突出物如水箱、旋轉(zhuǎn)餐廳等來抑制高層、高聳結(jié)構(gòu)的鞭梢效應等。調(diào)頻液體阻尼器（TLD）是利用容器中液體在晃動過程中產(chǎn)生的動液壓力、液體的慣性力及粘性耗能而產(chǎn)生控制力，從而減小結(jié)構(gòu)的反應。TMD通?？膳c結(jié)構(gòu)的儲水裝置結(jié)合使用，簡單易行、經(jīng)濟可靠。

2.1.4 聯(lián)合控制技術(shù)

聯(lián)合控制是將技術(shù)發(fā)展己比較成熟的基礎(chǔ)隔震技術(shù)與耗能減震（或調(diào)頻減震）技術(shù)結(jié)合起來，這不僅能夠取得更好的控制效果，還拓寬了各項控制技術(shù)的適用范圍。比如橡膠墊與摩擦滑移機構(gòu)的聯(lián)合隔震技術(shù)。它綜合利用了摩擦滑移機構(gòu)的阻尼耗能及橡膠墊減小結(jié)構(gòu)水平剛度、延長結(jié)構(gòu)周期的特性來取得好的隔震效果。這種技術(shù)有串連和并聯(lián)兩種。當橡膠墊與摩擦滑移機構(gòu)串連時，如地震時基底剪力未超過摩擦力，由橡膠墊起隔震作用；如基底剪力超過摩擦力，滑移層開始滑動，在減震耗能的同時對橡膠墊起保護作用。當橡膠墊與摩擦滑移機構(gòu)并聯(lián)時，結(jié)構(gòu)重力由橡膠墊和滑移件共同承擔，當基底剪力大于滑動摩擦時，橡膠墊就開始發(fā)揮作用。由于風載作用、結(jié)構(gòu)物的傾覆及地震后隔震系統(tǒng)殘余變形的影響，基底隔震技術(shù)在高層建筑中使用有很多問題，且其對于豎向地震起不到減震的作用，采用聯(lián)合控制后則有可能突破上述限制。

2.2 主動控制

主動控制是由外加能源對結(jié)構(gòu)施加控制力來減小結(jié)構(gòu)振動反應的控制技術(shù)，即通過傳感器采集結(jié)構(gòu)的動力反應或外荷載信息，反饋至計算機進行分析處理，由計算機按照一定的控制算法來計算施加控制力的大小，再通過電液伺服系統(tǒng)和控制裝置將控制力施加到結(jié)構(gòu)上，理論上可以根據(jù)人們的要求達到最佳的控制效果。但由于其需要外部能源、技術(shù)復雜、造價高，因此其工程應用開展較晚。對于尺度很大的工程項目，由于需要消耗較多的能源，大量應用的可能性不大，但對于一些需要保護設(shè)備、設(shè)施安全和減輕由于設(shè)備破壞引起次生災害的特殊工程仍然很有效。建筑結(jié)構(gòu)常用的主動控制方法是在結(jié)構(gòu)中的適當位置安裝作動器拖動附加質(zhì)量（AMD）或在結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝作動器與彈性單元（錨索或稈件）施加控制力。

2.3 半主動控制

半主動控制是控制過程依賴結(jié)構(gòu)的反應信息和外激勵荷載，只需較小的外部能量使控制裝置發(fā)生工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，來改變控制系統(tǒng)的阻尼或剛度，從而減小結(jié)構(gòu)反應的控制技術(shù)。與主動控制相比，控制效果相當且不需要很大的控制力。在建筑結(jié)構(gòu)中常用的半主動控制裝置有:電流變和磁流變阻尼器。這種半主動控制阻尼器（AVD）的特點是能夠通過控制電場和磁場在幾毫秒時間內(nèi)完成使阻尼器中的流變體實現(xiàn)自由流動、粘滯流動和半固態(tài)的交替變換，由于不需要伺服閥，從而避免了機械元件的不可靠和特別的維護要求。

2.3.1 磁流變阻尼器

磁流變(Magneto-Rheological，簡稱 MR)阻尼器是一種使用可控流變液體的阻尼器。磁流變液體在外磁場作用下，液體的流變特性會發(fā)生急劇變化，它的最基本特征是:在外磁場作用下，可以在毫秒級的時間內(nèi)可逆地由流動性能良好的牛頓液體變?yōu)榫哂幸欢羟星姸鹊陌牍虪钗镔|(zhì)，這種微觀變化在宏觀上表現(xiàn)為由它做成的磁流變阻尼器的阻尼力發(fā)生巨大的變化?，F(xiàn)在開發(fā)的磁流變阻尼器工作模式有流動模式(Flow mode)、剪切模式(Shear mode)、擠壓模式(Squeez mode)三種，以及這三種基本模式的任何組合。

2.3.2 電流變阻尼器

電流變（ER）智能材料是一類可控流體，在高壓電場的作用下，它可從牛頓流體變?yōu)榧羟星^高的粘塑性體，而且這種物理化學性態(tài)變化連續(xù)、可逆、迅速。ER是用不導電的母液(硅油或礦物油)和均勻散布在其中的固體電介質(zhì)顆粒(無機非金屬材料、有機半導體材料或高分子半導體材料)所制成的懸浮體。在電場作用下，ER會形成一束束由固體電介質(zhì)顆粒組成的纖維狀的“鏈”，橫架于正負二極之間。ER的力學性能主要表現(xiàn)為它在各種場強下的切應力與應變和應變率的相互關(guān)系上。隨著電場強度的增大，轉(zhuǎn)變而成的粘塑性體的剪切屈服應力也會增加，ER的這種特性稱為電流變效應。電流變效應中ER性能的轉(zhuǎn)變主要有以下3個特點:連續(xù)性；可塑性；響應速度快。

2.4 混合控制

為了提高控制效果，根據(jù)不同控制裝置的特點及結(jié)構(gòu)動力反應的特性，將兩種或兩種以上的控制技術(shù)結(jié)合起來，取長補短，并通過參數(shù)的合理優(yōu)化配置得到更好隔震效果的控制技術(shù)就稱為混合控制技術(shù)。常用有基底隔震與主動控制的組合，被動阻尼減震與主動控制的組合。第一種常用組合主要用于減少隔震層過大的位移。

也有在隔震體系上部結(jié)構(gòu)設(shè)置層間主動控制拉筋的研究，以減少上部結(jié)構(gòu)的層間相對位移。研究和應用最多的混合控制體系（HMD，Hybrid mass damper）是主動調(diào)諧質(zhì)量體系(AMD，Active tuned mass damper)與被動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD，unedmass damper)的組合。

在混合控制體系中，主動控制裝置可采用主動控制中的各種控制算法，但考慮到基底隔震建筑的強非線性特點，相應的主動控制宜使用非線性魯棒控制。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應非線性控制等在混合隔震體系中的應用已有研究?；旌峡刂企w系充分發(fā)揮了組合中不同控制系統(tǒng)的優(yōu)點，拓寬了控制體系的適用范圍，進一步滿足了結(jié)構(gòu)安全性和功能性的要求。這符合未來防震減災的發(fā)展方向-綜合的隔震減災技術(shù)。

3 結(jié)語

經(jīng)過多年的研究和應用證明，振動控制技術(shù)可以有效地減輕結(jié)構(gòu)在風、車輛、流冰、地震等動力作用下的反應和損傷積累，從而有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震能力和抗災性能，是結(jié)構(gòu)抗震減震和防災減災積極有效的方法和技術(shù)?；A(chǔ)隔震技術(shù)主要通過隔震裝置提供柔性裝置，使上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)分離，從而延長結(jié)構(gòu)周期，以減小結(jié)構(gòu)的地震反應，同時增加結(jié)構(gòu)的阻尼，以控制由于周期延長產(chǎn)生的過大位移。隔震技術(shù)的理論研究和試驗研究日益成熟，國內(nèi)外已經(jīng)建成上千座隔震橋梁和建筑等結(jié)構(gòu)，并且有些已經(jīng)經(jīng)受過強震的考驗，證明了減隔震控制的有效性。

[1]周云等.耗能減震技術(shù)研究及應用的新進展[J].地震工程與工程振動，1999(19).

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[3]胡聿賢著.地震工程學第二版[M].北京:地震出版社，2006.1.