浅谈建筑结构的隔震、减震和振动控制

黄莉　刘薇

【摘 要】 随着建筑行业的蓬勃发展，人们对建筑结构的安全性、适用性和耐久性要求也在不断提高，近年来，各处地震频繁，给国家、人民带来了巨大的灾难，与之直接相关的建筑结构抗震水平受到越来越多的重视。作者首先对当代建筑结构隔震、减震和振动控制现状和未来技术发展趋势进行分析，然后介绍了现阶段建筑结构隔震隔震、减震和振动控制技术，为保障人民生命财产安全，促进建筑行业发展提供理论支持。

【关键词】 建筑结构，隔震，减震，振动控制，安全性

引言

近年来，我国地震灾害频繁发生，给国家和人民带来了很大的灾难，过去一直通过提高建筑结构的抗震等级来抵抗地震作用，但这种硬碰硬的方式往往带来很多负面影响，而通过建筑结构隔震、减震和振动控制来以柔克刚，能够起到很好的效果。随着研究的深入，我国建筑结构的防震体系逐步完善，隔震、减震和振动控制技术也得到很大的提高。本文通过对隔震、减震和振动控制技术现状进行分析，并介绍了一些有效的新技术、新方法，为提高建筑结构安全性、适用性和耐久性打下基础。

一、建筑结构隔震、减震和振动控制现状和发展趋势

目前大多建筑工程仍采用传统的建筑结构方式，缺乏对建筑结构多的研究，往往只注重材料的选择和优美雅观的结构布置，单纯的提高建筑结构的抗震等级，而忽视了建筑结构空间的布置，也体现不了对建筑结构隔震、减震和振动的控制，总之，传统的抗震措施必须以一定的结构损伤为代价来减小地震的作用，不能从各个方面区提高建筑物的结构稳定性，另一方面，建筑结构隔震、减震和振动控制技术能够减轻地震引起的结构损伤，应用还不普遍，有很大的发展空间。

当前隔震、减震和振动控制技术不是很成熟，会引起一些不利影响，未来隔震、减震和振动控制研究中，将会在不同学科专业之间有更多合作和交叉研究，开发和推广新技术、新装置和新机构，并与传统建筑技术相结合，使结构的安全保障系统成为智能结构的组成部分，最大程度地降低地震作用给建筑结构带来的影响。

二、建筑结构隔震、减震和振动控制技术

（1）基础隔震技术及其应用

目前，最常用的的隔震技术为基础隔震，基础隔震的原理是在基础顶面与上部结构之间设置隔震层，改变建筑物结构周期，限制地震能量进入上部结构。

建筑物的结构周期和阻尼比与地震作用有紧密影响，普通中低层建筑物刚度大，周期短，其结构周期正处于地震输入能力最大频段上，相应的地震加速度比地面运动要放大得多，如果增大建筑结构的周期，并加大结构的阻尼比，建筑结构上的地震加速度反应将会大大减弱，位移反应也会明显降低，起到很好的隔震效果。

通过在基础顶面和上部结构底部设置隔震层，用来承担结构发生的位移反应，使上部结构的位移反应大大减小，只会出现接近平移的运动，大大提高结构的安全度。现一般采用叠层橡胶垫体系来实现基础与上部结构的分离，其隔震层由若干隔震器组成，隔震器包括叠层阻尼器和橡胶垫，分普通叠层橡胶垫、铅芯橡胶垫和高阻尼橡胶垫。这种隔震体系的周期长、阻尼比大，隔震效果明显。

基础隔震技术已经比较成熟，现在应用也比较广泛，对自振周期较短的房屋抗震效果较好，其不足之处是基础隔震对竖向震动没有减震的效果，对较长的周期性水平振动存在共振的危险，从而影响上部结构和隔震支座的安全。

目前限制基础隔震技术的主要因素是造价问题，与常规抗震技术相比，基础隔震所需费用较高，必须研发更加经济高效的配套体系，提高橡胶支座的性能指标，充分发挥橡胶支座的水平和竖向抗震能力，并开发智能隔震系统，对地震作用有自我适应能力，其次，隔震装置也可安装在结构的中间层和结构顶层，同时起加层和抗震加固作用，提高基础隔震技术的应用范围。

（2）建筑结构消能减震技术及其应用

消能减震的原理是在建筑基础和上部结构之间设置特别机构和元件，用来吸收地震能量，实现地动建筑物基本不动，保护上部结构安全的目的。

一般采用的消能减震机构是摩擦阻尼耗能器，摩擦阻尼耗能器是一种构造简单、造价低、耗能好的减震装置，它可以与主体结构串联或并联，具有接近双线性滞回的阻尼耗能作用。常用的消能构件有消能支撑和消能剪力墙，消能支撑包含耗能交叉支撑，摩擦耗能支撑，耗能偏心支撑，耗能隔撑。消能剪力墙包含竖缝消能剪力墙、横缝消能力墙、周边缝消能剪力墙等。其混凝土的接缝面可以填充粘性材料能或用钢筋联接。当发生较强地震时，混凝土接缝面会出现非弹性的缝面错动，产生阻尼，从而消耗地震能量。当受到更强地震作用时，建筑结构这些部位将发生较大变形，从而使装置在该部位的阻尼器发挥消能作用。

消能减震结构中的消能元件是不能和主体结构分离的，它不能完全避免主体结构出现弹塑性变形，不能完全脱离延性结构的概念。为了增强摩擦阻尼器的自动复位能力，满足不同地震强度等级的消能要求，需要开发多级摩擦阻尼器，以适应更高层建筑物、各种强度级别地震的消能减震需要。

（3）建筑结构振动控制技术及应用

建筑结构控制技术从广义上包含有利振动的利用和有害振动的抑制两部分，振动控制的目的是通过一定的手段使建筑结构的振动水平满足人们预定要求，使建筑物建筑结构减轻或免受振动的影响。建筑结构振动控制包括包含被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制四种。

被动控制技术是指不借助外部力量，而在建筑结构某部位添加子系统以改变结构自身动力特性的振动控制技术，主要分为基础隔震和消能减震两种，其原理和应用在前面已详细描述。

主动控制是要借助外部力量来实现减震的控制技术，主要通过施加于地震作用相反的控制力，来抵消地震作用力。主动控制的原理首先是用传感器监测建筑结构物的动力响应和外部刺激，然后将监测到的数据发送到计算机系统，计算机将数据以一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力，用来抵消地震作用力。目前主动控制装置主要有主动质量阻尼系统、主动支撑系统等。

半自动控制技术主要是通过控制机构来自动调节建筑结构在地震中的各种参数，用以抵抗地震作用力。半自动控制技术对外部力量需求很低，只需弱点就能运行，并用开关来操作改变控制系统的工作状态，改变建筑物的动力特性。目前应用较广泛的半主动控制的装置有：主动调节参数质量阻尼系统、可变刚度系统、可变阻尼系统等。

混合控制技术是主动控制技术与被动控制技术相联合的运用。它利用了主动控制与被动控制的综合优点，既能通过被动控制装置耗散大量地震能量，也能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。混合控制装置主要有主动控制装置与阻尼耗能装置结合的混合控制装置、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等。

结语

综上，建筑结构的隔震、减震和振动控制对地震灾害有很好的抵抗作用，在保证抗震效果的同时，寻求造价低、施工方便且稳定性、耐久性好的控制方法是未来抗震研究的趋势。随着我国隔震、减震和振动控制技术的不断提高，建筑结构的柔性抗震能力越来越强，建筑结构在地震作用后受到的影响越来越小，满足了建筑结构质量要求，对保障国家利益，保护人民生命财产安全也有重要作用。

参考文献

[1] 袁建龙，石军辉.谈建筑结构的抗震加固[J].陕西建筑，2007（04）

[2] 李爱群.工程结构减振控制[J].机械工业，2007

[3] 李江.高层建筑结构振动半主动控制系统研究[D].天津：天津大学，2003

[4] 孔枫.结构隔震设计方法与应用[J].吉林建筑工程学院学报，2005

[5] 黄宜华.建筑结构抗震概念设计及减轻地震灾害的措施[J].山西建筑，2010（02）