浅谈建筑结构的隔震、减振和振动控制

吴嘉强

（重庆中科建设（集团）有限公司，重庆 401120）

一、建筑结构的隔震与消能减振原理分析

传统的建筑结构建设以“小震震不坏、设防烈度可修、大震震不倒”为建筑设计的设防标准，建筑结构主要依靠其结构变形吸收、消耗地震带来的能量。按这种设防标准设计的建筑结构在遇到小、中型地震时，依赖结构吸收、消耗地震带来的能量具有可行性。这种建筑结构在设计时虽然采取严格的设计，但在遇到超过设计所能抵抗的大地震时，仍不能保证建筑结构的安全。这也使得很多专家致力于寻找在各方面优于传统建构结构设计的新体系。

（一）建筑结构的隔震原理

基础建筑结构的防震体系通过对隔震层得设置，将建筑结构分为三部分：上部结构、隔震层、下部结构。这样由地震释放出的能量先经下部结构传输到隔震层，再由隔震层隔震装置吸收、消耗大部分地震能量后，将仅有的少部分地震能量上传到上部结构。建筑结构隔震层的设计改变了建筑上部结构的周期，从而降低了上部结构对地震的反应，进而确保了上部结构即使在遇到强烈地震时也仍处于弹性状态，甚至能保持在自然弹塑性变形的初期状态。

（二）耗能减振结构原理

耗能减振结构，是指在建筑结构抗侧力构件中，通过设置耗能部件来实现耗能减振的。当建筑结构承受地震带来的能量时，耗能装置和耗能部件通过产生弹塑性来滞回变形，从而，吸收、消耗地震带来的巨大能量，减少主体建筑结构受地震巨大能力的影响，进而达到减振、控震目的，这与传统建筑设计“硬碰硬”思想相反，它属于“以柔克刚”，在后面笔者还会对其进行详细介绍。

二、建筑结构的振动控制技术

传统建筑抗震设计，主要利用结构自身来吸收、消耗地震带来的能量以满足设防抗震的标准，虽然能在遇到较小地震，起到比较好的效果，但毫无疑问这是一种比较消极被动的抵抗地震的方法。科学有效的抗震方法是通过采用结构振动控制技术来达到抗震目的，即通过对结构本身施加振动控制系统，让其与结构本身一同发挥抗震作用，以减轻建筑结构的抗震反应。建筑结构的振动控制分为主动控制、半主动控制、被动控制和混合控制。

（一）被动控制

被动控制是指不需要借助外部力量的振动控制技术,它通过在建筑结构的某个空间部位添加子系统，或通过对结构自身构件构造上的处理,来改变结构自身的动力特性。被动控制是目前结构应用开发的热点,很多被动控制技术也已日趋成熟完善,在实际操作中应用广泛。被动控制从其控制机理上来看可分为两大类：基础隔震与耗能减震。

1、基础隔震基础隔震技术就是指在建筑物或者构筑物基底上通过设置控制机构，隔离地震能量向上的传输,减少结构自身受地震的振动影响，以防止地震带来的破坏。目前主要研究的基础隔震技术有:摩擦滑移隔震、夹层橡胶垫隔震、滚珠及滚轴隔震、支撑式摆动隔震技术以及混合隔震等。纵观近年来隔震技术的发展,发现隔震技术的特点如下：

a、隔震技术应用的范围越来越广,它不仅在新建建筑项目中应用广泛,而且在对现有建筑进行加固的工程中也得到了普遍认可。b、隔震建筑设计形式日趋多样化,从早期主要应用在砌体结构和钢筋混凝土结构中发展到木结构、钢结构和组合结构中。c、隔震技术可供人们选择的隔震装置日趋多样化,而且新的隔震方法被人们不断提出,混合隔震技术的采用已成趋势。

2、耗能减震

耗能减震，具体来说就是把建筑结构的某些地方如：空间、层间、连接缝和节点等，安装上消能装置。这样在有小风或者小震发生时，这些消能装置与建筑结构一起工作，让结构处于弹性状态，满足正常情况下的使用要求。在遇到大风或大震时，伴随建筑结构侧向变形的加大，消能装置能够产生较大的阻尼，从而大量吸收、消耗输入建筑结构的风振或地震能量，进而让建筑结构所吸收的变性能或动能以热能的形式散发出去，能够迅速减少建筑结构受大风或大震影响带来的反应，保持建筑整体结构较好的弹性状态。目前,经常采用的耗能装置有:摩擦耗能减震装置、粘滞阻尼器、金属阻尼器和复合型耗能器。经过研究和实际采用发现这种减振技术具有以下优点:

a、安全，依靠耗能装置可以大量吸收、消耗地震能量,从而达到保护建筑主体结构的目的。b、经济，采取这种柔性耗能方式可大量减少剪力墙的数量、减小结构构件的配筋和断面。c、合理，通过耗能装置可以有效耗散能量，减轻地震反应。d、适用范围广、维护费用低。

（二）主动控制

主动控制与被动控制有明显的不同，它是需要借助外部力量的一种减震控制技术,通过施加与外来振动相反方向的控制力，以实现结构减震控制。其工作原理是这样的:首先，传感器对建筑结构的动力响应与外部刺激进行检测；然后将监测的数据发送到计算机系统；再次，由计算机根据程序给定的算法计算出应施加力的大小；最后,由外部能源驱动产生控制系统所需的力。目前主要研发的主动控制装置有:主动质量阻尼系统、主动支撑系统、主动拉索系统、气体脉冲发生器等。

（三）半主动控制

半主动控制是通过利用控制机构来自动调节建筑结构在地震中的参数，来达到减震目的,其对外部力量的需求很低,不需用强电,只由弱电(如蓄电池)就能完成。半主动控制通常采用开关进行控制,通过对开关的操作来改变控制系统的工作状态,进而改变建筑结构的动力特性。目前较典型的半主动控制的装置有:可变刚度系统、主动调节参数质量阻尼系统、可变阻尼系统和可控摩擦式隔震系统等装置。

（四）混合控制

混合控制是对主动控制与被动控制的联合运用。混合控制系统利用了主动控制与被动控制的综合优点,它既能通过被动控制装置耗散大量地震能量,也能有效利用主动控制装置来保证控制的效果,因此混合控制有着良好的建筑工程应用价值。

混合控制装置有以下几种:主动质量阻尼系统与调谐液体阻尼系统结合形成的混合控制；主动控制装置与阻尼耗能装置结合的混合控制装置；基础隔震与主动控制装置相结合的混合控制等。

（五）对四种控制技术的综合分析

主动控制在四种控制技术中,效果是最好的,但因建筑结构体型巨大，导致所需的外部能源需求较大,再加上其控制装置的程序算法较复杂,其应用程度明显少于另外三种控制技术。被动控制的造价低廉,其减震效果也良好,且易实现,是目前发展最快、应用最广的控制技术。半主动控制其介于被动控制和主动控制之间,这种控制的精确度比较高,造价与主动控制相比相对低谦,加之不需要较大的外部动力源,其具有较广阔的应用前景。混合控制则综合了多种控制的优点,其应用和发展前景自然较为广阔。

对建筑结构隔震、减振及振动控制的研究在中国有着广泛的应用，它也会带来中国建筑结构抗震消能减振的设计风暴，为了更好地解决这些建筑问题，在设计时必须加大对强震下的建筑结构控制规律进行探索、寻求低造价、施工方便且稳定性、可行性各方面最科学的组合。

结语：随着我国经济的快速发展和对抗震知识理论的不断完善，对建筑结构抗震加固、减振的方法越来越多,相信在不断探索下，建筑结构定能符合人们对其安全性、耐久性和舒适性的要求。

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