淺談建筑結構的隔震、減震和振動控制

黃莉　劉薇

【摘 要】 隨著建筑行業的蓬勃發展，人們對建筑結構的安全性、適用性和耐久性要求也在不斷提高，近年來，各處地震頻繁，給國家、人民帶來了巨大的災難，與之直接相關的建筑結構抗震水平受到越來越多的重視。作者首先對當代建筑結構隔震、減震和振動控制現狀和未來技術發展趨勢進行分析，然后介紹了現階段建筑結構隔震隔震、減震和振動控制技術，為保障人民生命財產安全，促進建筑行業發展提供理論支持。

【關鍵詞】 建筑結構，隔震，減震，振動控制，安全性

引言

近年來，我國地震災害頻繁發生，給國家和人民帶來了很大的災難，過去一直通過提高建筑結構的抗震等級來抵抗地震作用，但這種硬碰硬的方式往往帶來很多負面影響，而通過建筑結構隔震、減震和振動控制來以柔克剛，能夠起到很好的效果。隨著研究的深入，我國建筑結構的防震體系逐步完善，隔震、減震和振動控制技術也得到很大的提高。本文通過對隔震、減震和振動控制技術現狀進行分析，并介紹了一些有效的新技術、新方法，為提高建筑結構安全性、適用性和耐久性打下基礎。

一、建筑結構隔震、減震和振動控制現狀和發展趨勢

目前大多建筑工程仍采用傳統的建筑結構方式，缺乏對建筑結構多的研究，往往只注重材料的選擇和優美雅觀的結構布置，單純的提高建筑結構的抗震等級，而忽視了建筑結構空間的布置，也體現不了對建筑結構隔震、減震和振動的控制，總之，傳統的抗震措施必須以一定的結構損傷為代價來減小地震的作用，不能從各個方面區提高建筑物的結構穩定性，另一方面，建筑結構隔震、減震和振動控制技術能夠減輕地震引起的結構損傷，應用還不普遍，有很大的發展空間。

當前隔震、減震和振動控制技術不是很成熟，會引起一些不利影響，未來隔震、減震和振動控制研究中，將會在不同學科專業之間有更多合作和交叉研究，開發和推廣新技術、新裝置和新機構，并與傳統建筑技術相結合，使結構的安全保障系統成為智能結構的組成部分，最大程度地降低地震作用給建筑結構帶來的影響。

二、建筑結構隔震、減震和振動控制技術

（1）基礎隔震技術及其應用

目前，最常用的的隔震技術為基礎隔震，基礎隔震的原理是在基礎頂面與上部結構之間設置隔震層，改變建筑物結構周期，限制地震能量進入上部結構。

建筑物的結構周期和阻尼比與地震作用有緊密影響，普通中低層建筑物剛度大，周期短，其結構周期正處于地震輸入能力最大頻段上，相應的地震加速度比地面運動要放大得多，如果增大建筑結構的周期，并加大結構的阻尼比，建筑結構上的地震加速度反應將會大大減弱，位移反應也會明顯降低，起到很好的隔震效果。

通過在基礎頂面和上部結構底部設置隔震層，用來承擔結構發生的位移反應，使上部結構的位移反應大大減小，只會出現接近平移的運動，大大提高結構的安全度。現一般采用疊層橡膠墊體系來實現基礎與上部結構的分離，其隔震層由若干隔震器組成，隔震器包括疊層阻尼器和橡膠墊，分普通疊層橡膠墊、鉛芯橡膠墊和高阻尼橡膠墊。這種隔震體系的周期長、阻尼比大，隔震效果明顯。

基礎隔震技術已經比較成熟，現在應用也比較廣泛，對自振周期較短的房屋抗震效果較好，其不足之處是基礎隔震對豎向震動沒有減震的效果，對較長的周期性水平振動存在共振的危險，從而影響上部結構和隔震支座的安全。

目前限制基礎隔震技術的主要因素是造價問題，與常規抗震技術相比，基礎隔震所需費用較高，必須研發更加經濟高效的配套體系，提高橡膠支座的性能指標，充分發揮橡膠支座的水平和豎向抗震能力，并開發智能隔震系統，對地震作用有自我適應能力，其次，隔震裝置也可安裝在結構的中間層和結構頂層，同時起加層和抗震加固作用，提高基礎隔震技術的應用范圍。

（2）建筑結構消能減震技術及其應用

消能減震的原理是在建筑基礎和上部結構之間設置特別機構和元件，用來吸收地震能量，實現地動建筑物基本不動，保護上部結構安全的目的。

一般采用的消能減震機構是摩擦阻尼耗能器，摩擦阻尼耗能器是一種構造簡單、造價低、耗能好的減震裝置，它可以與主體結構串聯或并聯，具有接近雙線性滯回的阻尼耗能作用。常用的消能構件有消能支撐和消能剪力墻，消能支撐包含耗能交叉支撐，摩擦耗能支撐，耗能偏心支撐，耗能隔撐。消能剪力墻包含豎縫消能剪力墻、橫縫消能力墻、周邊縫消能剪力墻等。其混凝土的接縫面可以填充粘性材料能或用鋼筋聯接。當發生較強地震時，混凝土接縫面會出現非彈性的縫面錯動，產生阻尼，從而消耗地震能量。當受到更強地震作用時，建筑結構這些部位將發生較大變形，從而使裝置在該部位的阻尼器發揮消能作用。

消能減震結構中的消能元件是不能和主體結構分離的，它不能完全避免主體結構出現彈塑性變形，不能完全脫離延性結構的概念。為了增強摩擦阻尼器的自動復位能力，滿足不同地震強度等級的消能要求，需要開發多級摩擦阻尼器，以適應更高層建筑物、各種強度級別地震的消能減震需要。

（3）建筑結構振動控制技術及應用

建筑結構控制技術從廣義上包含有利振動的利用和有害振動的抑制兩部分，振動控制的目的是通過一定的手段使建筑結構的振動水平滿足人們預定要求，使建筑物建筑結構減輕或免受振動的影響。建筑結構振動控制包括包含被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制四種。

被動控制技術是指不借助外部力量，而在建筑結構某部位添加子系統以改變結構自身動力特性的振動控制技術，主要分為基礎隔震和消能減震兩種，其原理和應用在前面已詳細描述。

主動控制是要借助外部力量來實現減震的控制技術，主要通過施加于地震作用相反的控制力，來抵消地震作用力。主動控制的原理首先是用傳感器監測建筑結構物的動力響應和外部刺激，然后將監測到的數據發送到計算機系統，計算機將數據以一定的算法計算出應施加力的大小，最后由外部能源驅動產生控制力，用來抵消地震作用力。目前主動控制裝置主要有主動質量阻尼系統、主動支撐系統等。

半自動控制技術主要是通過控制機構來自動調節建筑結構在地震中的各種參數，用以抵抗地震作用力。半自動控制技術對外部力量需求很低，只需弱點就能運行，并用開關來操作改變控制系統的工作狀態，改變建筑物的動力特性。目前應用較廣泛的半主動控制的裝置有：主動調節參數質量阻尼系統、可變剛度系統、可變阻尼系統等。

混合控制技術是主動控制技術與被動控制技術相聯合的運用。它利用了主動控制與被動控制的綜合優點，既能通過被動控制裝置耗散大量地震能量，也能利用主動控制裝置來保證控制的效果， 因此混合控制有著良好的建筑工程應用價值。混合控制裝置主要有主動控制裝置與阻尼耗能裝置結合的混合控制裝置、主動質量阻尼系統與調諧液體阻尼系統結合形成的混合控制等。

結語

綜上，建筑結構的隔震、減震和振動控制對地震災害有很好的抵抗作用，在保證抗震效果的同時，尋求造價低、施工方便且穩定性、耐久性好的控制方法是未來抗震研究的趨勢。隨著我國隔震、減震和振動控制技術的不斷提高，建筑結構的柔性抗震能力越來越強，建筑結構在地震作用后受到的影響越來越小，滿足了建筑結構質量要求，對保障國家利益，保護人民生命財產安全也有重要作用。

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