結構振動控制的認識和思考

張義麗

（九江務實建設監理有限公司，江西九江 332100）

1 地震災害

我國地處太平洋和歐亞兩大世界地震帶之間，是一個地震多發的國家。現代我國發生的大地震有：1976年唐山7.8級大地震，死亡24萬多人，直接經濟損失30億元；2008年5月12日發生的四川汶川8級大地震，死亡6.9227萬人，傷37.4643萬人，失蹤1.7923萬人；2010年4月14日晨青海省玉樹縣發生兩次地震，最高震級7.1級，造成2698人遇難，失蹤270人。全球范圍內近幾年發生的大地震有：2010年1月12日海地7級大地震，死亡超過25萬人；2011年3月11日日本東北9級大地震，造成的15741人死亡，并引發福島核危機。

這些大地震造成的人員傷亡、房屋倒坍等給人們帶來了巨大的經濟損失，也帶來了巨大的悲痛和心理傷害。作為從事結構設計的土木工程人員，應該把減小地震等自然災害對人們造成的不可恢復的傷害降到最低為己任，多做防災減災的研究，推動結構抗震性能的提高。

2 抗震設計及結構控制

我國的 《建筑抗震設計規范》 （GB50011－2010）規定的基本抗震設防目標是：當遭受低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時，主體結構不受損壞或不需修理可繼續使用；當遭受相當于本地區抗震設防烈度的設防地震影響時，可能發生損壞，但經過一般性修理仍可繼續使用；當遭受高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。［1］一句話，結構要滿足 “小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防目標。

抗震設計是通過對結構本身的調整，即對結構的布局、構件等設計使結構具備抵抗大震的能力。傳統的抗震設計采取消極的對策，依靠結構自身性能 （強度、剛度、變形能力、耗能能力）來抵御地震作用，消耗地震能量，包括鋼板剪力墻、箍筋加密區、剪力墻設置約束邊緣構件等都是從增大強度、剛度和增大延性的角度出發的。這種傳統的抗震設計理念，存在如下問題：一是基本烈度是不確定的，例如抗規用全國基本烈度區劃圖，而實際唐山、汶川地震都超出了原區劃。二是不能保護內部重要裝飾或重要設備儀器。三是大震后，結構或構件發生彈塑性變形甚至破壞。四是結構剛度大，材料浪費，不經濟，扭轉效應大。傳統的結構抗震設計實際上是依靠結構本身和結構承重構件的損壞消耗大部分輸入能量，如結構構件不可修復的損壞、塑性鉸的產生等往往導致結構構件嚴重破壞甚至倒塌。而且，傳統抗震方法只考慮結構本身在地震中出現的一定程度的破壞，而未考慮房屋內部設備儀器的抗震和房屋內人的舒適程度，這對于內部有重要裝飾或重要設備儀器的建筑物并不適用。為此，人們在抗震問題研究中，除按規范對建筑結構進行抗震設計外，另外一個重要方面就是結構減震和結構控制。

結構體系受地面運動作用時輸入結構的總能量與由結構耗散及儲存于結構中的能量平衡，即：E1＝ES＋ED，其中E1為總輸入能量；ES為結構儲存的能量；ED為結構耗散的能量。結構儲存的能量包括應變能和動能：ES＝EE＋EK，其中EE為彈性應變能；EK為動能。結構耗散的能量包括阻尼耗散的能量和滯回彈塑性變形的耗能：ED＝EC＋EH，其中EC為阻尼耗散的能量；EH為滯回彈塑性變形的耗能。為減輕結構地震反應，可以通過減少輸入的地震能量E1（基礎隔震）或增大EC或非結構構件的EH（耗能減震、結構控制）的途徑來實現。［2］我國 《建筑抗震設計規范》（GB50011－2010）第十二章為隔震和消能減震設計開辟了專門的章節，主要包括基礎隔震、消能減震和吸震減震等內容。

3 結構振動控制的發展和應用

1972年，美籍華裔學者姚治平將現代控制理論應用于建筑結構，首次提出了結構振動控制的概念，開創了結構振動控制研究。幾十年來，結構振動控制在理論和實驗研究方面都取得了豐碩成果，其減震效果較傳統抗震方法明顯優越，改變了結構體系利用自身儲存和消耗地震能量的傳統抗震設計方法。結構振動控制技術從控制方式上可分為被動控制、主動控制和半主動控制與混合控制四種方式［3］，如圖1所示。

圖1 結構控制

結構振動控制理論經過十幾年的發展，已應用于很多的實際工程項目中：粘彈性阻尼器首次應用于紐約世貿中心雙塔結構中，安裝了10000余個粘彈性阻尼器，以減小結構的風振反應。經歷過多次臺風檢驗，減振效果良好，實測結構阻尼3%左右［4］；肯考迪亞大學圖書館由一幢10層結構和一幢6層結構中間通過連廊連接組成，采用摩擦耗能器代替傳統的剪力墻或普通支撐，結構中總共安裝了143個起滑荷載為600～700kN的Pall摩擦耗能器，摩擦耗能器為結構提供了約50%的附加阻尼，有效地提高了結構的抗震性能［5］；為了減少強風對建筑物的影響，臺北101大廈在87～92樓安裝了一個巨大的鋼球質量協調阻尼器，本身重量660公噸，系統總重量730公噸，由四十一層12.5公分厚鋼板結合為球形，直徑5.5公尺，總造價約三千萬人民幣，可以減少因地震、風吹搖晃所引起的擺幅40%［6］。

4 思考與小結

結構振動控制理論的提出、發展和應用，為結構抗震、抗風提供了除以增大構件截面積、提高材料強度等傳統措施來增大結構剛度和承載力，從而用 “硬抗”的方式來減小地震作用對結構的破壞之外的另外一種抗震減震的思路方法。通過在結構中安裝各種隔震、消能裝置來達到減小在地震作用下的結構響應或高層建筑在正常使用過程中由于風致振動帶來的不舒適感。筆者通過大量模型試算，認為：為了提高耗能支撐的控制效果，支撐應設置在結構第一振型向量幅值差較大的位置處。對于剪切型結構，可設置在結構的下部；對于彎曲型結構，可設置在結構的上部；對于彎剪型結構，可設置在層間位移較大的位置；為了盡量降低對建筑功能的影響，需與建筑方案相配合；阻尼器布置盡量周變化，分散化，減少對結構剛度中心和質量中心偏心的影響。

結構振動控制雖然說早在上世紀70年代就已提出理論并應用，而且我國最新的 《建筑抗震設計規范》已增加了隔震和消能減震設計的相關內容，但針對的阻尼器類別和隔震減震的方法規定還不完善，目前國內還處于研究探索階段，沒有大范圍的應用，對多數的結構設計人員來說還比較陌生。為此，從事結構設計的我們更應該在以后的學習和工作中，學習研究和推廣消能減震的方法，使的設計的結構獲得更高的安全性和更好的經濟效應。

〔1〕中華人民共和國國家標準 .建筑抗震設計規范（GB50011－2010）.北京：中國建筑工業出版社，2010.

〔2〕方小丹 .抗震工程概論教案 ［M］.廣州：華南理工大學，2011.

〔3〕閻維明，周福霖，譚平 .土木工程結構振動控制的研究進展 ［J］.世界地震工程，1997，（02）：8－20.

〔4〕蔡澤文 .粘彈性阻尼器在土木工程中的應用 ［J］.山西建筑，2007，（29）：93－94.

〔5〕史春芳，徐趙東，盧立恒.摩擦阻尼器在工程結構中的研究與應用 ［J］.建筑與結構設計，2007，（09）：37－41.

〔6〕謝紹松，張敬昌，鐘俊宏 .臺北101大樓的耐震及抗風設計 ［J］.建筑施工，2005，（10）：7－9.