建筑結構的隔震、減振和振動控制

陳麟海

摘 要：近年來，地殼運動相比之前更加劇烈頻繁，面對這種情況，國家有關部門不斷加大對建筑結構隔震、減振和振動控制等的研究力度。同時，人們對居住環境和質量提出了更高的要求，尤其是房屋建筑的安全性能。如果建筑結構沒有采取必要的隔震和減震措施，勢必會對建筑結構安全性造成不利影響。因此，有必要加強建筑結構的隔震、減振和振動控制，促進房屋建筑物穩定性的提升。本文將在對隔震和消能減振進行詳細論述的基礎上，就建筑結構的隔震、減振和振動控制技術進行深入分析和研究，以供參考。

關鍵詞：建筑結構；隔震；消能減振；振動控制

中圖分類號：TU352.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0090-02

1 隔震和消能減振原理概述

1.1 隔震原理

常見的建筑結構防震系統在隔震層的設計過程中，往往將整個建筑結構劃分為上部結構、隔震層以及下部結構三層（如圖1）。遭受地震時，地震所釋放出來的破壞力會經下部結構傳輸到隔震層中，隔震層中的抗震設備消耗和吸收了絕大部分地震能量，最終傳遞至上部結構的地震破壞力只有很少的一部分。通過隔震層的設計，改變了上部結構周期，有效降低了上部結構對地震的反應，讓其在受到地震襲擊之后仍然能夠保持良好的彈性。如果設計的隔震層強度足夠大，地震能量往往只會造成比較小的影響，甚至保持自然彈塑性發生形變的初期狀態，從而將地震能量對上部結構的影響降至最低。

1.2 減振原理

消能減震就是在建筑結構中放置能耗部件以消耗地震能量，并達到耗能減振的目的。一旦地震來襲，建筑結構中放置的能耗部件會因為自身彈塑特性來合理控制建筑結構的形變，能夠有效吸收和消耗地震剪力，從而有效降低地震對建筑結構所造成的破壞。這種能耗部件的這一特性，能夠有效改善部分建筑構件的抗震能力，和傳統防震原理相比，利用減震結構進行防震具有一定的技術優越性，通過以柔克剛的原理實現了抗震防震技術的重大突破。

2 建筑結構的隔震、減振和振動控制技術分析

2.1 被動控制

被動控制指的通過建筑結構自身調節，不依靠外力，經過動力學驗證，能夠起到減小地震作用的處理方法。這種控制方式廣泛應用于非承重構件的調節中，形成一種消能裝置結構減震體系，達到隔震和消能減震的目的。被動控制主要分為三種類型：一是耗能減振。這種方法就是通過能量消散達到減振的目的，實際應用中往往作為系統綜合體使用，既能有效抵御強大的外力作用，又能對建筑主體結構起到有效地保護作用，把地震造成的損失降至最低。二是沖擊減振。通過沖擊吸收彈性碰撞有效降低和耗散地震對建筑結構的破壞，當建筑結構因遭受地震而發生震動時，擺錘就會對建筑結構進行撞擊使結構震動得以衰減。擺錘還能起到吸振器的作用。三是吸振減振。當建筑結構因受到外力侵襲而發生振動或位移時，安裝在建筑結構內部的阻尼結構能夠有效消化能量，并在其內部形成新的結構方式來有效應對新的外力作用，避免建筑結構振動。

2.2 主動控制

當建筑物結構受到強烈地震剪力作用時，可以通過利用外部能源物質對建筑結構采取一定的處理措施，以改變建筑結構動力性能，這就是主動控制技術。通過采用主動控制技術，能夠有效降低地震對建筑結構的破壞力，主動控制的基本原理主要是通過利用先進的高科技產品，如傳感器，實現對建筑結構動力性能的動態監測。如果建筑物遇到一定強度的外部刺激時，能夠及時將信息傳遞到計算機處理系統中，通過智能數據模型分析和對比，獲得應施加的外力數值，向外部能源驅動發布命令，讓其采取有效地處理措施，從而達到減振的目的。

2.3 半主動控制

所謂的半主動控制指的是在采取主動控制措施的同時采取被動控制方法，在實際應用中，該控制技術主要以被動控制為主導，而主動控制充當輔助的角色。一旦遇到地震剪力作用，能夠及時調節建筑結構部分構件相關參數，讓其動力學特性發生改變，足以應對小地震。如果地震強度過大，僅僅依靠被動控制已經難以達到預定的減振效果，為了確保建筑結構足夠安全，還應采取主動控制措施對建筑結構進行適當處理。

2.4 混合控制

這種控制方式既吸收了主動控制的抗震效果，又融合了被動控制分散和消耗地震破壞力的顯著優勢。所以，混合控制方式具有十分重要的工程應用價值。如主動控制與阻尼耗能裝置相互結合、基礎隔震與主動控制共同作用等混合控制裝置在建筑結構中應用十分廣泛。

2.5 控制技術綜合分析

盡管主動控制抗震效果比較明顯，但由于目前我國在該技術上仍然存在諸多不足，導致其缺乏實用性。隨著市場經濟體制的逐漸完善，高層建筑如雨后春筍般紛紛拔地而起，這些建筑能量消耗必然巨大。同時主動控制主要利用計算機系統分析數據模型，這個過程中就需要涉及復雜的程序算法，這類人才我國目前極為缺乏。很顯然，如果僅僅采用主動控制方式，勢必造成巨大的成本支出。相比較而言，被動控制的實用性和靈活性反而更勝一籌，在建筑結構中應用十分普遍。而半主動控制則實現了主動與被動控制的有機結合，讓各種技術措施優勢得以充分體現，既安全又經濟，市場發展前景十分廣闊。

3 建筑結構隔震、減振及振動控制技術的未來發展趨勢

近年來，為了有效降低因地殼運動而對建筑結構的不利影響，應不斷加強隔震、消能減震以及振動控制技術方面的研究與應用。同時人們對于居住環境提出了更新更高的要求，不能僅關注居住環境的是舒適性，還要注意房屋的安全性。相關專家學者也逐漸把研究的重點從理論與實踐研究而轉向工程試點和應用方向，重視隔震體系應用，并取得顯著成績。同時，國家應當建立建筑基地，讓相關理論知識能夠得以運用于實踐之中，這樣既能在實際中使建筑結構布置方案更加豐富，也能讓建筑工程研究方向得到進一步延伸，促進建筑質量提升，從而掌握更多地建筑結構布置方法。建筑結構隔震、減振、振動控制技術能夠最大限度地降低地震破壞性能對建筑結構造成的損傷，在多種建筑結構中應用十分廣泛，經濟實用，其未來市場發展前景廣闊。

但是值得注意的是，增加阻尼在降低建筑結構相對位移和控制形變的過程中，可能會導致建筑結構絕對速度變大，對建筑內部設備及人員安全造成不利影響。在建筑結構抗震設計過程中，往往具有多個不同的方針標準，如果采用半主動控制技術，就能滿足不同防震級別的需求，適應力比較強，能夠產生起到比較良好的消能減震作用。同時，還應致力于新型構件的研發，實現眾多領域科技成果的有效融合，為人們居住環境安全提供保障，社會經濟價值突出。

4 結語

綜上，隨著隔震、消能減振和振動控制技術在建筑結構中的推廣與應用，極大地促進了我國抗震減振事業的發展，促使很多在抗震減振過程中的問題迎刃而解。在建筑結構設計過程中，應當認真思考建筑結構振動的規律，根據工程實際采用經濟實用的抗震結構，并運用合理的防震、減振技術措施，將地震對建筑結構的破壞降至最低。

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