隔震、消能減震與結構控制體系
——終止我國城鄉地震災難的必然技術選擇

周福霖

隔震、消能減震與結構控制體系
——終止我國城鄉地震災難的必然技術選擇

周福霖

周福霖，中國工程院院士，廣州大學工程抗震研究中心主任、教授。曾任聯合國工業發展組織（UNIDO）隔震技術顧問，現任國際隔震減震控制學會（ASSISI）主席、中國建筑學會抗震防災分會結構減震控制委員會主任委員、中國土木學會減震防災技術推廣委員會主任委員。湖南大學土木工程工民建本科畢業，加拿大不列顛哥倫比亞大學（UBC）結構與抗震研究生畢業。長期從事土木結構工程、結構抗震、隔震和減震控制的研究。曾主持國家973項目、國家12.5項目、國家自然科學基金重點項目、聯合國科技開發項目、中外隔震減震國際合作項目。曾獲國家科技進步獎、建設部、教育部科技進步獎等十多項。曾出版中英文著作4部，文章150多篇。

中國不斷重復的地震災難

我國地處世界兩大地震帶——環太平洋地震帶和地中海－喜馬拉雅地震帶的交匯區域，是世界上地震活動最頻繁的國家之一。自從我國有地震記錄以來，死亡人數在20萬以上的災難性大地震有：1303年山西洪洞大地震、1556年陜西華縣大地震、1920年寧夏海原大地震、1976年唐山大地震等。20世紀，全世界由于地震死亡的人數中，中國人約占60%。近幾十年來，我國高震級地震頻發，如邢臺地震、海城地震、唐山地震、汶川地震、玉樹地震、蘆山地震、魯甸地震等，均造成了大量人員傷亡和巨大經濟損失。

我國陸地面積約占全世界的1/14，而大陸破壞性地震卻占了全世界的1/3。我國是世界上地震風險最高的國家，平均每5年發生1次7.5級以上地震，每10年發生1次8級以上地震。歷史上，我國各省、直轄市和自治區均發生過5級以上的破壞性地震。我國地震主要有以下幾方面的特點：（1）多為淺源地震，震級高、破壞性大；（2）震級和烈度遠高于原預期值，造成大災難；（3）我國城鄉人口集中，房屋密集，地震時傷亡慘重；（4）地震時人員傷亡有90%是由于房屋破壞倒塌以及伴隨的次生災害造成的，而我國城鄉大量房屋設防標準偏低，房屋抗震能力普遍不足，小震大災、中震巨災的現象在我國頻頻發生，給人民生命財產帶來巨大損失，也給國家社會穩定造成巨大影響。一次6～7級地震，在發達國家僅造成幾人至幾十人死亡，而在我國可能造成數千人乃至數萬、數十萬人傷亡，導致地震大災難。這迫使我們要從一次次地震災難中吸取教訓，對原有的抗震設防要求和抗震技術體系，進行反思和創新。我國正處于建設小康社會、步入以人為本的時期，我們這一代人有責任，在中國這片國土上，終止地震造成的一次次重復的大災難！

傳統抗震技術體系及其存在的問題

在18世紀工業革命時期，以英國為中心，發展了現代科學技術。但英國等歐洲國家處于非地震區域，致使防震技術在第一次工業革命未被啟動。至19—20世紀，技術革命向存在地震危險的美國、日本等國家擴展，防震技術有了長足發展，先建立了強度抗震體系（20世紀30年代），后又發展了強度-延性抗震體系（20世紀70年代），即現在的傳統抗震體系。我國近二百年，閉關自守，內憂外患，貧窮落后，近代防震技術幾乎處于空白，直至新中國成立，先后從前蘇聯、美國、日本等引進防震技術，經過不斷發展完善，建立了與世界各國類似的強度-延性抗震體系，即傳統抗震技術體系。這個抗震體系，為我國減輕地震災害，做出了重要貢獻。但由于我國國情，這個抗震體系仍未能終止我國一次次重復的地震大災難。

傳統抗震技術體系

一般建筑結構，在地震發生時，強地面運動引起結構的地震反應，結構固接于基礎之上，尤如一個地面地震反應“放大器”，結構的地震反應隨著高度將逐級被放大至2倍以上（圖1a）。中小地震發生時，雖然主體結構可能還未破壞，但建筑飾面、裝修、吊頂等非結構構件可能破壞而造成嚴重損失，室內的貴重儀器、設備可能毀壞而使用功能中斷，甚至導致更嚴重次生災害。當大地震發生時，主體結構可能破壞乃至倒塌，導致地震災難。為了減輕地震災害，人們先后發展了下述抗震技術體系：

（1）抗震“強度”體系：通過加大結構斷面和配筋，增大結構的強度和剛度，把結構做得很“剛強”，以此來抗御地震，即“硬抗”地震（圖1b）。這種體系，由于結構剛度增大，也將引起地震作用的增大，從而可能在結構件薄弱部位發生破壞而導致整體破壞。在很多情況下，這樣“硬抗”地震很不經濟，有時也較難實現。

（2）抗震“延性”體系：容許結構構件在地震時被損壞，利用結構構件損壞后的延性，結構進入非彈性狀態，出現“塑性鉸”，降低地震作用，使結構“裂而不倒”（圖1c）。對比“強度”體系，結構“延性”體系僅需要較小的斷面和配筋，更為經濟。“延性”體系從20世紀70年代建立，已成為我國和世界很多國家采用的“傳統抗震體系”。它的設計水準是：在設定設計地震烈度下，小地震時不壞，中等地震時可能損壞但可修復，大地震時明顯破壞但還不致倒塌。但超大地震時就無法控制了。

傳統抗震技術體系存在的問題及對策

傳統抗震技術體系長期存在下述難以解決的問題：

（1）結構安全性問題。在設計烈度內，這種傳統抗震體系能避免結構倒塌，但當遭遇超過設計烈度的地震時，將可能導致成片建筑結構倒塌，引發地震災難。如2008年我國5?12汶川地震，地震前的汶川是一個美麗的縣城，地震后成為一片廢墟。

（2）建筑破壞問題。在地震作用下，傳統抗震結構鋼筋屈服和混凝土裂縫，結構出現延性，國內外專家早就指出“延性就是破壞”，導致建筑物結構在震后難以修復，雖未倒塌但又不能使用，成為“站立著的廢墟”。2008年汶川地震后，宜賓縣隆興鄉震后援建的博愛學校，使用僅4年，在2013年蘆山地震中破壞嚴重，其塔樓及結構底層柱有明顯破壞，震后修復非常困難（圖2）。

圖1　傳統抗震體系

（3）建筑功能喪失問題。在地震作用下，傳統抗震結構的非彈性變形和強烈振動，引起建筑中的非結構構件及裝修、吊頂等的破壞，以及室內設備、儀器、瓶罐等的掉落破壞，必然導致建筑使用功能甚至城市功能的喪失，引起直接或間接的人員傷亡或災難。例如，地震時醫院、學校、指揮中心、網絡、試驗室、電臺、機場、車站、電站等的破壞，會導致現代城市癱瘓或社會災難，后果是難以想象的！

上述傳統抗震技術體系存在的問題，在我國凸顯嚴重，原因是：

（1）我國建筑物的抗震設防標準偏低。除少數地區外，我國大部分地區的設計地震動加速度為0.10 g；而日本、智利為0.30 g，土耳其為0.20～0.40 g，伊朗也已提高為0.35 g。也即，我國建筑物地震設防標準（地震動加速度）僅為世界其他多地震國家設防標準的1/2～1/4。如果同樣的地震發生在我國，建筑物的破壞和人員傷亡，要比其他國家要嚴重得多！

（2）我國很多災難性地震發生在中、低設防烈度區，或頻繁發生超設防烈度的大地震，引發大災難。唐山的設防烈度為Ⅵ度（地震動加速度0.05 g），1976年唐山大地震震中烈度達Ⅺ度（地震動加速度估計為0.90 g）；汶川的設防烈度為Ⅶ度（地震動加速度0.10 g），2008年5?12地震震中烈度達Ⅺ度（地震動加速度0.90 g）；青海玉樹的設防烈度為Ⅶ度（地震動加速度0.10 g），2010年玉樹地震烈度達Ⅸ～Ⅹ度（地震動加速度0.50～0.80g ）；四川蘆山的設防烈度為Ⅶ度（地震動加速度0.10 g），2013年蘆山大地震破壞烈度達Ⅸ～Ⅹ度（地震動加速度0.60～0.90 g）；云南魯甸的設防烈度為Ⅶ度（地震動加速度0.10 g），2014年8?3魯甸大地震破壞烈度為Ⅸ～Ⅹ度（地震動加速度0.60～0.80 g）。即實際地震的地震動加速度值為設計值的6～18倍！按照傳統抗震技術建造的結構，哪能防御這種超級大地震？大災難不可避免！

目前，我國大面積、大幅度提高設計標準，還不現實，再加上傳統抗震技術體系長期存在難以解決的問題，在中國這片國土上，要終止地震造成的一次次重復的大災難，必須在原來采用傳統抗震技術體系的基礎上，大力推廣采用創新的防震技術新體系——隔震、消能減震、結構控制技術體系——四十年來世界地震工程最重要的創新成果之一！

圖2　2009年新建的隆興鄉博愛學校在2013年蘆山地震中塔樓及結構柱破壞情況

圖3　建筑結構、橋梁隔震原理

隔震技術及其應用

隔震技術體系

隔震體系是指在結構底部或某層間設置由柔性隔震裝置（如疊層橡膠隔震支座）組成的隔震層，形成水平剛度很小的“柔性結構”體系（圖3a）。地震時，上部結構“懸浮”在柔性的隔震層上，只做緩慢的水平整體平動，從而“隔離”從地面傳至上部結構的震動，使上部結構的震動反應大幅降低，從而保護建筑結構、室內裝修、非結構構件、室內設備、儀器等不受任何損壞，使隔震結構在大地震中成為“安全島”。隔震體系把傳統抗震體系通過加大結構斷面和配筋的“硬抗”概念和途徑，改為“以柔克剛”的減震概念和途徑，是中華文化“以柔克剛”哲學思想在結構防震工程中的成功運用。從結構動力學分析，隔震結構是把結構的自振周期大大延長（即“柔性結構”），從TS1延長至TS2，則結構加速度反應將從X¨S1降為X¨S2，降為原來傳統抗震結構加速度反應的1/4～1/8（圖3b），結構抗震性能大幅提高（圖4）。

早在一二千年前，我們祖先就成功地應用隔震減震的概念和技術建成了遍布全國各地的宮殿、寺廟、樓塔等建筑，經歷多次地震而成功保存下來。現代隔震技術是20世紀80年代出現的一項新技術，多年來，世界各國學者對此項技術開展了廣泛、深入的研究，并已在工程中推廣應用。

我國近代隔震技術與國際基本同時起步，但發展較快。我國首幢砂墊層隔震建筑由李立教授主持于1980年建成；由劉德馨、曾國林主持的石墨砂漿滑移層隔震房屋于1986年建成；我國最初建成的這幾幢隔震房屋至今尚未經歷地震考驗，而由于砂墊層或砂漿滑移層在地震后沒有復位功能，故未能推廣應用。由本文作者主持，于1989—1993年在汕頭市建成的我國第一幢夾層橡膠墊隔震房屋，在1994年9月6日中國臺灣海峽7.3級地震中經受了考驗。此后，相繼在云南、河南、新疆、四川、山西、北京、福建等地建成了多幢夾層橡膠支座隔震房屋，有些還成功經歷地震考驗。目前，隔震房屋已逐漸在我國推廣應用，至2015年年底，已建成隔震建筑超過6000棟。

與傳統抗震結構相比，隔震結構有下述的優越性：

（1）確保建筑結構在大地震時的安全。隔震體系可使結構的地震反應降為傳統結構地震反應的1/4～1/8，使隔震結構有很寬的“防巨震安全極限邊界”，在超烈度大地震時成為“安全島”，保護幾代人的生命和財產安全！

（2）地震時上部結構保持彈性，結構在地震中不損壞，避免震后很困難的修復工作。

（3）可實現性能化防震設計，實現地震設防的“雙保護”，即既保護結構安全，也保護非結構構件、室內設備儀器等的使用功能不中斷。這對于醫院、學校、指揮中心、網絡、實驗室、廣播電視臺、機場、車站、電站、各種生命線工程等尤為重要，能避免大地震發生時城市功能陷于癱瘓，避免大地震發生時的直接災害或次生災害。

（4）適用于規則建筑結構，也適用于非規則建筑結構。隔震后的結構地震反應大幅降低，結構的水平變形（層間變形或扭轉變形等）都集中在柔軟的隔震層而不發生在建筑結構本身，從而保護功能要求較高的復雜建筑結構，在地震中不被損壞。這適合于保障學校、醫院、高檔住宅、辦公大樓、影劇院、機場、交通樞紐等的地震安全。

（5）采用隔震技術，投資增加不多。當隔震技術應用于防震性能要求較高或高烈度地區時，還能降低建筑結構造價。

（6）隔震技術不僅可用于新建建筑，也可用于對既有結構進行隔震加固，能大幅提高地震安全性。在達到基本相同的要求下，造價比傳統方法更低。

隔震技術的工程應用

中、美、日、意和新西蘭等國家已較多采用隔震技術，表1列出了中、美、日三國隔震工程應用的情況。經過40余年的發展，中國的隔震技術已邁入了國際先進行列，其應用領域廣泛。

圖4　隔震體系與傳統抗震體系的對比

表1　中國、美國、日本隔震結構應用統計表（截至2015年）

隔震技術主要應用于住宅、學校、醫院、高層建筑、復雜或大跨建筑、橋梁結構、核電站、重要設備、歷史文物與古跡保護和鄉鎮民房等，有些隔震工程還成功經受了地震考驗。舉例如下：

（1）住宅建筑及學校、醫院等公用建筑。

【實例1】我國第一棟橡膠支座隔震房屋，鋼筋混凝土框架隔震結構，8層住宅（圖5），位于廣東省汕頭市，是聯合國工業發展組織（UNIDO）隔震技術國際示范項目，1989立項，1993建成使用，是當年世界最高的隔震住宅樓。1994年9月16日，發生臺灣海峽7.3級地震。傳統抗震房屋晃動激烈，人站不穩，青少年跳窗避險，學校孩子逃跑踩踏，死亡及受傷共126人。但隔震房屋內的人毫無震感。震后，從窗外看到馬路上擠滿驚恐逃跑的人們，才知道剛才發生了地震，因此住戶普遍認為住在隔震樓內很有安全感。

圖5　我國第一棟橡膠支座隔震房屋，8層住宅

圖6　北京地鐵地面樞紐站大面積平臺上隔震住宅樓

【實例2】烏魯木齊石化廠隔震住宅樓群，2000年建成，共38棟18萬平方米，為當年全球面積最大的隔震住宅群，采用了基礎隔震形式，結構地震反應降為1/7。在7～8級大地震時也可保障人們生命和財產的安全。

【實例3】北京地鐵地面樞紐站大面積平臺上隔震住宅樓（通惠家園），建于2001年，隔震建筑面積48萬平方米，是當年世界面積最大的層間隔震建筑群，隔震層設在二層平臺頂部（圖6），采用三維隔減震體系，結構地震反應降為1/6，火車引起的振動降為1/10，既確保地震安全，也避免地鐵振動干擾。

【實例4】蘆山縣人民醫院門診樓，為2008年汶川地震后澳門援建的醫院建筑（圖7），包括采用了橡膠支座隔震技術的門診樓1棟，采用抗震（未隔震）的住院樓2棟。2013年蘆山地震中，抗震的2棟住院樓破壞嚴重，功能中斷和癱瘓，而隔震的1棟門診樓，結構和室內設備儀器完好無損，震后馬上投入緊張繁重的醫療搶救工作，隔震門診樓成為震后全縣急救醫院。醫院曾院長說：“地震后全縣所有醫院都癱瘓了，就剩這棟隔震樓，成為全縣唯一的急救中心，如果沒有這棟隔震樓，災后就無法對重傷員進行搶救了，后果真是不堪設想……”

【實例5】汶川第二小學，鋼筋混凝土多層教學樓，共7棟，全部采用隔震技術，2010年建成。老師對學生說：“地震時，千萬不要往外跑！我們待在隔震樓里，屋里比屋外更安全。”在2013年4月20日，發生7.0級蘆山地震，根據安裝在幾個建筑物（隔震和抗震）中的儀器獲得的地震反應記錄，隔震樓的地震反應，只有相鄰的抗震房屋地震反應的1/6～1/8，所有隔震樓完好無損，隔震樓就像“安全島”。

圖7　蘆山縣人民醫院隔震與抗震樓

圖8　昆明新機場隔震航站樓

（2）復雜建筑。

【實例6】昆明新機場隔震航站樓，隔震建筑面積50萬平方米，是目前世界最大的單體隔震建筑（圖8）。因為靠近地震斷層，地震危險性較大。采用隔震技術，能夠在大地震時保護結構安全、保護上部曲線彩帶鋼柱不損壞、保護特大玻璃不破壞、保護大面積天花板不掉落，還要在大地震時保護內部設備儀器不晃倒掉落損壞、確保地震后航運功能不中斷等要求。2015年3月9日，云南嵩明縣發生4.5級地震，昆明新機場隔震航站樓的儀器記錄如下：地震時，樓面加速度反應，降為地面加速度反應的1/4，顯示非常明顯的隔震效果。

2015年開工建設的北京新機場，航站樓約70萬平方米，采用全隔震技術。建成后將成為全球最大的單體隔震建筑，將會是隔震技術在全球范圍內的新范例。

即將建設的海南海口美蘭國際機場（二期），新航站樓約30萬平方米，也采用全隔震技術。

我國高烈度地區的新建機場，有采用全隔震技術的趨勢。這將大大提高我國機場的防御地震的能力，確保大地震發生時機場航運功能不中斷，大大提高我國城市防震減災能力，造福子孫后代！

（3）長大橋梁結構。

【實例7】港珠澳大橋，長約26 km，橋梁采用隔震技術，是目前世界最長的隔震橋梁。隔震支座設置在橋墩頂部。地震時，把可能發生在橋墩底部出現變形裂縫，轉變為在橋墩頂部的隔震支座的水平變形，使橋墩保持彈性狀態，避免浸在海水中的橋墩底部出現難以修復的損壞（圖9a），并把橋梁的地震反應大幅降低。廣州大學對港珠澳大橋分別做了隔震和抗震的振動臺對比試驗研究（圖9b），試驗結果表明，隔震與非隔震的地震反應比為1/5，防震安全性大幅提高，能確保橋梁在大地震時的安全。

（4）核電站地震保護。

2007年日本新潟地震，引發了核事件。2011年3月11日日本東海大地震，引發福島核電站（建于20世紀70年代）第一核電站三號機組爆炸，震驚了全世界。但新建的福島核電站指揮部大樓采用隔震技術，在這次地震中表現極為出色，結構及裝修無任何損壞，內部設備儀器無一掉落，完好無損，保證了指揮系統功能照常運行，成為地震后的指揮中心。

利用核能，有人稱之為“人與魔鬼打交道”，必須做到萬無一失。采用隔震技術，被國內外認為是保護核電站地震安全的最有效途經之一。經深入研究分析和部分應用得知，核電站采用整體隔震體系，可使核電站結構和內部設備儀器的地震反應降為原來的1/6～1/8，可使核電站場地的容許地震動加速度從0.20 g提高至0.80 g，即也意味著，可在高烈度地震區建設核電站。隔震技術也有利于核電站結構與設備設計的標準化，可以保障核電站地震安全，展現了光輝的前景！

目前，世界已建成3座隔震核電站，還有多個采用隔震技術的核電站正在施工或設計中。

（5）鄉鎮農村房屋隔震技術。

我國廣大農村地區的農民住房，抗震問題非常嚴重。農村建房缺技術，建材多為磚石木等，無正規設計和施工，抗震性能很差。小震大災、中震巨災的現象在我國農村地區頻頻發生，廣大農民并未分享現代科學技術進步的成果。如何把隔震技術應用于我國廣大農村地區，保護農民生命和財產安全，是我們這代人的重要任務。

廣州大學和相關單位部門合作，對我國農村房屋隔震技術進行了多年的研究、試驗和應用，取得了可喜的進展。已開發了適合我國廣大農村地區的“彈性隔震磚”技術體系。

【實例8】適合農村地區的“彈性隔震磚”技術體系（圖10）。該體系設計施工簡單、無需大型建筑機械、農民工匠可自建、造價低廉。地震振動臺實驗表明，應用“彈性隔震磚”的簡易磚房，能經受Ⅶ～Ⅷ度烈度的影響而完好無損。

可以預期，“彈性隔震磚”技術的推廣應用，將為我國廣大農村房屋的地震安全、建設美麗并安全的新農村、保護廣大農民生命和財產、終止我國地震造成的一次次重復的大災難，展現未來的美景！

圖9　港珠澳大橋隔震體系及振動臺試驗

圖10　鄉鎮農村 “彈性隔震磚”隔震房屋

消能減震技術及其應用

消能減震體系

結構消能減震體系，是把結構的某些非承重構件（如支撐、剪力墻等）設計成消能構件，或在結構的某些部位（節點或聯結處）安裝耗能裝置（阻尼器等），在風荷載或小地震時，這些消能桿或阻尼器仍處于彈性狀態，結構仍具有足夠的側向剛度，以滿足正常使用要求。在中強地震發生時，隨著結構受力和變形的增大，這些消能構件和阻尼器率先進入非彈性變形狀態，產生較大阻尼，消耗輸入結構的地震能量，使主體結構避免進入明顯的破壞，并迅速衰減結構地震反應，從而保護主體結構在強烈地震中免遭過度破壞。

傳統抗震結構是通過梁、柱、節點等承重構件產生裂縫、非線性變形來消耗地震能量的，而消能減震結構是通過耗能支撐、阻尼裝置等產生阻尼，先于承重構件損壞而進行耗能，衰減結構震動，從而起到保護主體結構的作用（圖11）。

圖11　消能減震體系的減震機理

與傳統的抗震體系相比較，消能減震體系有如下的優越性：

（1）傳統抗震結構體系是把結構的主要承重構件（梁、柱、節點）作為消能構件的，地震中受損壞的是這些承重構件，甚至導致房屋倒塌。而消能減震體系則是以非承重構件作為消能構件或另設耗能裝置，它們的損壞過程是保護主體結構的過程，所以是安全可靠的。

（2）消能構件在震后易于修復或更換，使建筑結構物迅速恢復使用。

（3）可利用結構的抗側力構件（支撐、剪力墻等）作為消能構件，無須專設。

（4）可衰減結構的地震反應20%～50%。

由于上述的優越性，消能減震體系已被廣泛用于高層建筑、大跨度橋梁等結構的地震保護中。

消能減震體系的工程應用

消能減震結構體系按照所采用的減震裝置，可以分為“速度相關型”和“位移相關型”。速度相關型阻尼器，主要有粘滯型阻尼器（其耗能能力與速度大小相關），包括油阻尼器，粘彈性阻尼器等。位移相關型阻尼器（其耗能能力與位移大小相關），包括金屬屈服型阻尼器（包括軟鋼阻尼器、鉛阻尼器，屈曲約束支撐BRB，形狀記憶合金SMA等），摩擦阻尼器等。近年來，以陳政清為代表的團隊研發了高靈敏、高效能、高耐久性的電渦流阻尼減震裝置，將是耗能減震領域的革命性突破。

美國是開展消能減震技術研究較早的國家之一。早在1972年竣工的紐約世界貿易中心大廈的雙塔樓安裝了粘彈性阻尼器，有效地控制了結構的風振動反應，提高了風載作用下的舒適度。日本也是應用消能減震技術較多的國家。31層的Sonic辦公大樓共安裝了240個摩擦阻尼器，日本航空公司大樓使用了高阻尼性能阻尼器。加拿大也較早研究摩擦消能減震支撐并大量應用，世界各國應用消能減震的工程案例不勝枚舉。

本文作者通過多方面的試驗研究，提出了在高層建筑中設置“鋼方框消能支撐”進行消能減震，并完成了足尺模型的試驗。于1980年在洛陽市建成我國第一棟設置有鋼方框消能支撐的廠房結構。

我國自20世紀80年代起，一直致力于消能減震技術的研究工作和工程應用實踐。目前已自行研發出了一些消能減震裝置，并提出了與之適應的新型消能減震結構體系，完成了多項消能裝置的力學性能試驗和減震結構的模擬振動臺試驗研究，獲得了大量有學術價值的研究成果。

消能減震技術在我國結構中的應用范圍和形式越來越廣泛，在各種重要建筑及大跨橋梁中均有較多的應用。目前全球建成的消能減震房屋和橋梁約有20000余座。

【實例9】消能減震支撐在房屋結構減震中的應用（圖12）。

【實例10】粘滯阻尼器應用于控制斜拉橋位移量和控制橋梁縱飄反應（圖13）。

控制技術的發展和應用

隨著高強輕質材料的采用，高層、超高層等高柔結構及特大跨度橋梁不斷涌現，如果采用傳統的“硬抗”途徑（加強結構斷面，加強剛度等）來解決風振和地震安全問題，不僅很不經濟，而且效果差，常常難以解決問題。而巧妙的結構控制技術，為解決超高、超長結構的風振和地震安全問題，提供了一條嶄新的途徑。

結構控制是指在結構某個部位設置一些控制裝置，當結構振動時，被動或主動地施加與結構振動方向相反的質量慣性力或控制力，迅速減小結構振動反應，以滿足結構安全性和舒適性的要求。其研究和應用已有40多年的歷史。

圖12　房屋結構中的消能減震支撐

圖13　斜拉橋中的油阻尼器

圖14　廣州塔混合控制

結構振動控制，主要是為了滿足高層超高層建筑、電視塔等高聳建筑結構的抗風、抗震性能。按照是否需要外部能量輸入，結構控制可分為被動控制（免外部能量輸入）、主動控制（需外部能量輸入）、半主動控制（改變結構剛度或阻尼）和混合控制（被動控制加主動控制）等4類：被動控制系統主要有調諧質量阻尼器（TMD）、調諧液體阻尼器（TLD）等；主動控制系統主要有主動質量阻尼系統（AMD）、混合質量阻尼器（HMD）等；半主動控制系統主要有主動變剛度系統（AVS）、主動變阻尼系統（AVD）等；混合控制是將主動控制和被動控制同時施加在同一結構上的控制形式。

全球首次將控制技術應用到建筑結構，建成于1989年的日本東京Kyobashi Center，采用了AMD控制系統。之后，控制技術在全世界及我國得到了廣泛的發展和應用。

【實例11】2009年建成的廣州塔是我國在超高層建筑中成功應用混合控制技術的典范（圖14）。由廣州大學、哈工大、廣州市設計院和ARUP等單位合作，為該塔的風振和地震安全控制研發了新型主動加被動的混合控制系統（HTMD）。

廣州塔采用混合控制體系，是經過多方比較分析的。如果采用被動控制（免外部能量輸入）的調諧質量阻尼器（TMD）體系，技術成熟可靠，造價低，但只能減震10%～30%，對桅桿是滿足要求的，但對主體結構達不到減震要求。如果采用主動控制（需外部能量輸入）的主動質量阻尼系統（AMD），能減震30%～60%，但技術成熟性和可靠性較差，造價也高。經過深入分析和試驗研究，采用混合控制體系（HTMD），即在被動調諧質量裝置（TMD）上再設置一小質量的主動調諧系統（AMD），可達到技術成熟性和可靠，減震效果達到要求，能減震20%～50%，造價也不高。該體系還巧妙地利用塔頂2個消防水箱（各600噸）作為調諧質量，不必額外專門制設鋼制質量球，更加經濟。

廣州塔利用塔頂水箱作為調諧質量的混合控制系統HTMD（TMD+AMD），從形式上看是雙層調諧質量在運動。通過小質量塊的快速運動產生慣性力來驅動大質量塊的運動，從而抑制主體結構的振動。當主動調諧控制系統失效時，就變為被動調諧質量阻尼器（TMD），因此具有Fail—Safe（失效仍安全）的功能。這保證該系統在很不利的條件下，都能正常運行，可靠性很高。

通過結構分析和振動臺試驗表明，廣州塔在用了HTMD系統后可有效減震20%～50%。該塔建成后，經歷了多次大臺風的考驗，實測有效減震30%～50%。這進一步實際驗證了HTMD應用在高聳結構上的有效性、可靠性和經濟性。

圖15　維修代價趨勢圖

抗震、隔震、減震的技術比較和未來的技術選擇

（1）抗震、隔震、減震技術比較。

抗震：結構自振周期很難遠離地面卓越周期，地震時容易發生一定程度的共振，結構震動反應可放大至200%以上，大地震時會嚴重威脅結構和內部設施的安全。

消能減震：通過增大結構阻尼來消耗能量，以減輕結構地震反應，可減震20%～50%（即降低至80%～50%），但結構震動放大系數仍大于1，為1.20～1.80。能實現降低結構位移（地震變形）反應的目標，減少結構的破壞程度，提高結構的抗倒塌安全性。

隔震：通過延長結構自振周期，避開振動共震區，有效隔離地震。可減震75%～90%（即降至25%～10%或1/4～1/8），大幅提高結構安全性。震動放大系數遠小于1，為0.10～0.30。能大幅減低結構加速度反應（地震作用）的目標，既能在大地震中保護結構安全，也能保護內部設施完好無損，使用功能不中斷。

（2）抗震、隔震、減震結構地震損壞維修代價比較。圖15為日本Yusuke WADA教授對日本傳統抗震結構與減震、隔震結構在震后維修代價隨地震烈度變化的趨勢圖。可以看出：

在烈度較小地震時，抗震結構尤其是延性設計的結構就會發生損壞，包括非結構構件或室內設備儀器，震后維修代價較大；而減震結構的損壞較輕微，震后維修費用較低；而隔震結構完好無損。

當烈度較大地震時，延性設計的結構破壞程度就會加劇甚至倒塌，直到失去維修價值；而減震結構在較大烈度地震時的破壞主要還是減震裝置的破壞，在經歷地震后，只需更換、維修損壞的減震裝置；而隔震結構完好無損。

在影響烈度特高地震時，延性設計的抗震結構已經倒塌；減震結構比強度設計的抗震結構破壞程度輕些，維修代價低于抗震結構；而隔震結構仍然完好，僅在隔震層（隔震支座或柔性管線連接等）有輕微損壞，稍加維修即可恢復正常。

（3）減輕或終止我國地震災難的技術選擇。

近年來，世界各地及我國地震頻發。目前我國要在全國范圍內大幅度提高城鄉抗震設防標準，仍有難度，但對于有可能出現的巨災不可不防。傳統強度設計和延性設計已不能滿足我國大規模城鄉建設對抗震的要求，而隔震、減震及控制技術正好彌補了傳統抗震技術所不能滿足的技術要求。

隔震、減震及結構控制技術是四十年來地震工程領域的重大創新成果，是城鄉建筑大幅提高地震安全性、防止地震破壞的最有效途徑，是終止我國城鄉地震災難的必然技術選擇！在2015年第14屆國際隔震減震與控制大會上，國內外專家一致認為：“工程結構，包括既有結構，廣泛采用隔震減震技術的時代來臨了！”