现代建筑结构性抗震及控振技术研究

马锴

摘 要：本文主要阐述了现阶段建筑的结构性抗震及控振技术在理论及现场实践应用研究现状。在结构性抗震及控振技术已相对比较成熟的基础上，学术界应把关注点放在体系化、统一化、优化、局部构建设计、新材料及技术的研发（如抗阻尼构件）等方面。相比主动控制的相关研发及技术应用，新材料及施工技术开发以性价比为导向，尽管技术和施工策略还有待进一步挖掘，但半主动控制在研发和应用方面发展前景良好。

关键词：结构性抗震;控振技术;半主动控制;建筑

中图分类号：TU352.11 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）07-0115-03

Abstract： This paper reviewed the current situation of the application of structural seismic and vibration control technology in theory and practice field. Based on the relatively mature structural seismic and vibration control technologies， the academia can focus on systematization， unification， optimization， local construction design， research and development （R&D） of new materials and technologies （such as anti-damping components）. Compared with the related R&D and technology application of active control， the prospects of semi-active control in R&D and application are widely respected. Although technology and construction strategy need to be further explored， semi-active control has a good prospect in research and development and application.

Keywords： structural seismic; vibration control technology; semi-active control; building

随着我国基础设施及房屋建筑发展，相关单位对结构性抗震及控振技术方面研究逐渐深入，具体项目应用逐渐常态化。学术界以把理论研究、策略设计、项目实证分析拓展到实际建筑施工技术和实操领域，广泛使用应对地震的相关技术，在标准化和工业化方面已经发展较为成熟。历史上的一些著名事件对本文提及的技术发展起到了一定作用，如美国加州北岭地震和日本兵库县南部地震中，有的建筑使用了橡胶支座，在地震中没有坍塌。在地震中未倒塌的房屋运用的橡胶支座基础隔震技术，为今后现代建筑结构性抗震及控振技术发展奠定了基础，并朝着产业标准化的方向发展。此外，本文提到的另一关键技术——主动性控制，相对来说较为复杂，且需大量外在能源支持，当前仍处于发展阶段。相较而言，较为折中的办法是采用半主动和混合控制，由于对于外在能源支持性依赖较小而被广泛采用。本文将对涉及的中外文献进行回顾总结，并提出一定的建设性意见。

1 隔震技术发展回顾

建筑隔震技术是阻止地震产生的巨大能量传至建筑体的方法。随着我国对建筑安全性的要求越来越高，建筑企业已经提出了诸多可应用性的隔震方案。现阶段，较大规模采用的是经过特殊加工的钢制结构板材和橡胶综合应用技术，即叠层钢板橡胶支座（Laminated Steel Plate Rubber Bearing，LPRB）、复位性综合预应力弹簧技术和水平滑动板装结构、摩擦摆体系（Friction Pendulum System，FPS）和综合运用上述方案的技术复合方案[1]。

FPS本质上是依靠重力复位原理的摩擦摆滑动机构（见图1），分为上下两部分，牵扯两部分自振动周期，随着上半部结构的自振周期改变，隔震结构的自振周期呈相反变化，上面越短，整体自振动周期会越长。表达式如下：

[T=2πR/g]                            （1）

其中，R是结构中滑动球面的半径值;g表示重力加速度;T为自振动周期。

采用图1所示结构时，构件的自振动周期不受上半部的构件负载值的影响，上部构件和下部底座之间的接触形式为水平面接触，最重要的是通过滑动来消耗传导能量。与摩擦滑块和滑动面不同的是，滚轴装置接触模式为线接触，而滚球装置为点接触方式，缺点是对大载荷支撑有限，一般仅能支撑调谐质量阻尼器（TMD）;优点是具有较高的性价比，被广泛应用。但由于该机构本身没有自复位能力，因此应该采用弹性或弹塑性恢复元件[2]。

LPRB综合防震抗震技术在实际施工中被大范围应用，造价处于相对较低的水平。缺点是对地震纵向能量的减弱能力不佳，水平方向的能量使建筑物产生共振可能，纵向能量对上半部机件造成一定破坏，横向能量则对下半部机件造成破坏。近年来的研究主要致力于对LPRN刚度和扭转特性的理論分析与试验。现阶段，在施工实践中，上述技术面对的主要问题还是价格。因此，相关领域需要进一步研发性价比高的隔震橡胶支座及相关配件，充分发挥该技术优势，但不能一味追求低价而放弃安全性。

2 控振技术回顾

在技术层面上，控振技术是将来自于地震的巨大动能传导至预制好的控振构件并利用该构件的物理结构特性削减该能量，摆脱了原有的依靠加强建筑物本身刚性来抵御地震高强度能量的现象。但这并不意味着控振技术与构件是万能的，因为控振元件本身包含在建筑内部，从整体上说也是建筑的组成部分，不可能完全使建筑物其他构件免遭地震侵害。

2.1 摩擦阻尼器

摩擦阻尼器是一种较为传统的机构，具备简单的弹性机制，与建筑物主体结构构件相结合进行合理使用。通过力学设计，该机器能够使摩擦阻尼器发挥最大效能，以达到最好的抗震效果[1]。

这些阻尼器选材简单，组成部件的机加工工艺并不复杂，可大规模生产，适合各种结构的建筑。摩擦阻尼器本身虽无自复位能力，但可以依靠结构本身的刚度复位，但该结构最大的弊端是无法很好地匹配固定的锁紧力与不同等级地震带来的能量[3]。

2.2 软钢和合金阻尼器

软钢和合金阻尼器在性质上是弹塑性阻尼器，滞回特性良好，可以串联在支撑构件中，在剪力墙顶部、梁的中间部位以及其他相对变形较大的部位均可使用。其中有一些可以与基础隔震机构并联使用。常用的钢制阻尼器有剪切型钢板阻尼器、弯曲型钢板阻尼器、剪切型峰房式梳形阻尼器、钢环阻尼器以及应用于房屋连接通道两端的钟形阻尼器。值得一提的是，偏心钢结构也广泛存在于高层或者特性建筑中。

2.3 鉛阻尼器

西方国家最先研制成功的铅阻尼器，在恒定屈服应力作用下应用纯铅，从小孔流出时可视为不可压缩弹塑性介质的无摩擦挤压特性，设计了收缩管型和凸轴型挤压的阻尼器，已经应用在很多建筑中。该阻尼构件物理力学特性良好，适用性强，其机理与通过摩擦减震的构件有异曲同工之效，在施工之前可以设定预应力结构，但在完工后不可更改。极限设定一定要考虑周全，要兼顾成本与实用以减小在地震中的损害，如图2所示。

3 主动控制、半主动控制与混合控制

3.1 主动控制

抗震技术中的主动控制即最新的技术手段，对地震能量来源和建筑反应动态进行实时监控测算，再按照模型测算结果应用加力装置对建筑采取相应控制，以达到实时主动控制的目的，使结构在地震和其他动力作用下响应控制，在允许范围内，达到保护结构和设备免遭损伤的目的。主动控制是较为先进的防震耗能技术，具有很大的研究意义。

3.2 油阻尼半主动控制

半主动控制在一定程度上能达到主动控制的效果，又不需要消耗巨大的能源，因此，可以用于既有建筑的防震改造工程。我国应用国产的电液伺服阀发展了变阻尼半主动控制系统，提出了两个油路设计方案，开发了控制算法和相应分析设计软件，为这一技术的现实实践提供了可行路径[4]。

3.3 混合控制

混合控制指综合运用主动控制与被动控制或者更进一步运用更为先进的抗震控制方式，最为普遍的运用模式是用作动器拖动调谐质量阻尼器（HMS），如图3所示。

4 结语

由于防震抗震及控振技术所受的社会经济激励以及保护标的建筑物是极为复杂、不确定的，建筑物不同于其他物体，由于物理尺度较大，建筑物本身的比重也很大，建筑物和减震机构在静止状态已经承受了很大载荷，因此，建筑物的减震技术在理论研究、施工应用以及成本控制各个方面都有待深入探讨[5]。本文研究开发减震抗震技术的目标是在地震中使建筑物本身尽量不倒塌的基础上进一步保护建筑物人员安全，相对于被动的减震抗震技术来说价格低廉、成本较低，对施工方的技术要求也较低，被广大施工方所接受。而更为先进的半主动和混合抗震减震技术则可以用于造价更高的建筑，可以适应更为复杂的地形和更高的地震等级，以提高建筑物及人员的安全性。

参考文献：

[1]蔡丹绎，李爱群，程文禳.调频液体阻尼器（TLD）的等效力学模型研究[J].地震工程与工程振动，1998（1）：80-87.

[2]龙复兴，赵晓红.土木工程结构最优控制问题的脉冲干扰法（PDM）[J].地震工程与工程振动，1997（4）：89-94.

[3]杨蔚彪.低周反复荷载下二阶摩擦减振控制支撑框架的试验研究[J].建筑科学，1997（4）：3-7.

[4]刘季，孙作玉.结构可变阻尼半主动控制[J].地震工程与工程振动，1997（2）：92-97.

[5]周锡元.建筑结构抗震设防策略的发展[J].工程抗震，1997（1）：1-3.