建筑隔振消能技术分析

邱晓光　孙军

【摘 要】 地震造成的破坏会严重威胁到人们的生命与财产安全，近些年，我国结构工程师们一直没有停止过对建筑物抗震的研究。建造抗强烈地震的建筑物和构筑物成为建筑工程领域重要的课题。为了抵御地震灾害，通常的建筑结构设计采用的是抗震设计，强调的是“抗”。本文通过分析传统抗震方法的不足，通过对隔震及减震原理的分析，重点阐述几种隔震减震方法，以期为相关工作者提供借鉴。

【关键词】 建筑；隔震；消能减震；振动控制

【Abstract】 The damage caused by the earthquake will seriously threaten the safety of people's lives and property. In recent years， structural engineers in China have not stopped studying the earthquake resistance of buildings. Building buildings and structures that resist strong earthquakes has become an important issue in the field of construction engineering. In order to withstand earthquake disasters， the general design of the building structure uses seismic design， emphasizing "resistance." This article analyzes the shortcomings of the traditional method of earthquake resistance， through the analysis of the principle of isolation and shock absorption， focusing on the description of several seismic isolation methods， in order to provide reference for related workers.

【Key words】 Building； Isolation；Energy dissipation；Vibration control

建筑物除了承受豎向荷载外，还要承担风和地震水平荷载的作用，建筑物越高，这个水平荷载效应就越明显。我国 41% 的国土、50% 以上的城市位于地震烈度 7 度以上的地区，面临的地震灾害形势非常严峻。随着经济的高速发展，城市化使人口和财富高度密集，强烈地震造成的伤亡和损失将越来越大，震后的修复和城市的复兴就越有难度，对国家经济发展和社会稳定的冲击也将更为剧烈。

1. 传统抗震方法与不足

通常来说，建筑结构设计采用的是抗震设计，强调的是“抗”，即采用“延性结构体系”适当控制结构物的刚度，但容许结构构件（ 如梁、柱、墙、节点等等） 在地震时，进入非弹性状态，并且具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反映，使结构物 “裂而不倒”。这种体系在很多情况下是有效的，但也存在很多局限性： 首先，由于结构物的承重构件在地震时进入非弹性状态，对某些重要的结构物是不容许的（ 纪念性建筑、装饰昂贵的现代化建筑、原子能发电站等）；其次，对于一般性建筑，当遭遇超过设防烈度地震时，由于主体结构已发生严重非弹性变形，在地震后难以修复或在强地震中严重破坏，甚至倒塌，其破坏程度难以控制；再次，随着地震强度的增大，结构的断面和配筋都相应增大，造成经济的 “浪费”。随着科技高速发展和节能环保为主题的今天，对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高，使 “延性结构体系”的应用日益受到限制，传统的抗震结构体系和理论难以满足发展需求，而由于隔震、消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，在建筑结构中将得到越来越广泛的应用。

2. 隔振、消能技术分析

2.1 隔震与消能减震原理。

隔振、减震控制的基本原理是在结构构件之间或建筑物与基础之间设置隔震、减震装置，通过隔震、减震装置的耗能特性，减小振动能量向周围环境的传递，达到减小振动对周围环境影响的目的。

2.2 隔震与减震方法。

（1）粘弹性阻尼结构。

粘弹性阻尼结构的风洞试验、地震模拟振动台试验及大量的结构分析表明，在结构中安装粘弹性阻尼器可减小风振反应和地震反应40%～80%，可确保主体结构在强风和强震中的安全性，并使结构在强风作用下，结构的舒适度控制在规定的范围内。西雅图哥伦比亚中心大厦起初是因为在风振的影响下，顶部几层有明显的不舒适感，安上粘弹性阻尼器后，不再有不舒适感，效果良好。若采用加大刚度的方法来获得同样的效果，需要把现有的柱尺寸扩大一倍，粗算价值约800万美元，显然采用增加刚度的办法是难以接受的，而采用粘弹性阻尼器所用的试验及安装费用仅 70万美元。在北京的银泰中心也设置了粘滞阻尼器，试验结构证明有很好的减振效果。由此可见，采用粘弹性阻尼器减小建筑的风振或地震效应在经济上是相当可观的。

（2）吸能减震。

吸震减震是通过附加子结构，使结构的震动发生位移，即使结构的振动能量在原结构与子结构之间重新分配，从而达到减小结构震动的目的。目前，工程结构应用的吸震减震装置主要有：调谐质量阻尼器（简称 TMD），调液（柱）阻尼器 （简称TLD或TLCD）悬吊质量摆阻尼器（简称SMPD）和质量放大器。屋面上的水箱也起到一定的减震效果，相当于 TMD。

（3）金属阻尼器。

是在框架中加屈曲约束支撑，在常规荷载下，起到支撑的作用，而在地震作用下，金属支撑通过塑性变形来消耗地震的能量，从而起到保护主体结构的作用。这在抗震加固的工程中得到广泛的应用。拟建的首都规划大厦设置了柱间“人”字型支撑，大大减小了地震力的影响。

（4）冲击减震。

冲击减震是依靠附加活动质量与结构之间的非完全弹性碰撞达到交换动量和耗散动能进而实现减小结地震反应的技术。实际应用时，一般在结构的某部位（常在顶部）悬挂摆锤。结构震动时，摆锤撞击结构使结构震动衰减。另外，摆锤还兼有吸振器的功能。

（5）主动控制。

结构主动控制是利用外部能源，在结构受激励振动过程中，对结构施加控制力或改变结构的动力特性，从而迅速地减小结构的振动反应。主动控制系统主要包括传感器、控制器和作动器三个组成部分。传感器测量结构反应或外部激励信息。控制器处理传感器测量的信息，实现所需的控制律，其输出为作动器的指令。作动器产生控制力，所需的能量由外部能源提供，控制力有时通过一个辅助子结构作用到受控结构上。主动控制的工作原理为： 传感器监测结构的动力响应和外部激励，将监测的信息传人计算机内，计算机根据给定的算法计算出控制力的大小，最后由外部能源驱动作动器产生所需的控制力而施加于结构上。由于实时控制力可以随输人地震波改变，因此控制效果基本不依赖于地震波的特性，这方面明显优于被动控制。

3. 关于建筑隔振消能技术的研究

（1）不同支承形式的消能减震研究不同的消能减震形式被引入到越来越多的结构中，并做了许多相关的理论研究。

（2）消能器减震效果的研究。到目前为止，国内外学者已经提出了金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞液体阻尼器以及复合阻尼器，并对它们的减震效果做了研究。欧进萍等对设置两种摩擦阻尼器（T 形芯板摩擦阻尼器和拟粘滞摩擦阻尼器）和粘滞阻尼器的结构进行了时程分析，研究表明：三种阻尼器都能有效地控制结构的地震反应 ； T 形芯板摩擦阻尼器的位移控制效果与拟粘滞摩擦阻尼器接近，但后者的加速度控制效果好于前者。

（3）不同结构减震研究及消能體系优化。很多学者对不同的结构进行了减震方面的研究，包括框架结构、框剪结构、框架筒体结构、钢结构、网壳结构等。出于经济性的考虑，一些学者开始着手于消能结构体系的减震研究和消能体系的优化。主要包括消能装置安装位置的研究和消能装置的参数优化等。

4. 结语

综上所述，隔振是工程上防止振动危害的主要手段，隔振消能技术不仅成本低、修复方便，其施工方式也进一步简化，同时为设计留出了较大的空间，能够确保建筑安全。目前，消能减震部件种类已经较多，但更要注重其实用性、经济性以及支承连接形式的研究。消能减震部件设置的位置对结构的减震效果较敏感，因此，如何提高减震效果与消能体系的经济技术指标，创造绿色生活环境，是今后研究的方向。

参考文献

[1] 徐震.消能减震建筑结构分析——以螺蛳湾国际商贸城中央商务区为例[J].建筑知识，2017，37（05）：28～29.

[2] 刘瑞强.建筑隔震和消能减震设计及应用[J].山西建筑，2016，42（22）：55～57.

[3] 周梦娇，李熙，牟文俊，李锐.建筑结构被动隔振系统参数优化设计[J].计算机仿真，2016，33（01）：344～347+361.

[文章编号] 1619-2737（2018）01-15-614