浅谈建筑结构振动控制技术 附工程结构减震控制周福霖下载

建筑物减震结构振动控制性能与建筑物的使用寿命和安全性紧密相关。要提高建筑物的耐久性和安全性，那么就必须从建筑物的隔减震结构入手，选择最优质的建筑材料提高建筑隔减震结构的性能，保证建筑物的安全性。

我国新《建筑抗震设计规范》之中，已经添加了消能和隔震等振动控制的一些专门章节。在国际方面，自第一届国际结构控制会议于1994年在美国洛杉矶召开以来，大约每4年召开一次，结构地震反应的控制已成为地震工程中的热点和前沿性研究方向。有关这一领域的综合评价文章也常见诸于国内外的期刊和会议上。消能技术与减振技术在最近几年之中也由基础研究方面逐渐转向工程的实际应用之上，所以对于建筑结构的减振、隔震与振动控制的分析势在必行。

传统建筑抗震设计，主要利用结构自身来吸收、消耗地震带来的能量以满足设防抗震的标准，虽然能在遇到较小地震时起到比较好的效果，但毫无疑问这是一种比较消极被动的抵抗地震的方法。科学有效的抗震方法是通过采用结构振动控制技术来达到抗震目的，即通过对结构本身施加振动控制系统，让其与结构本身共同发挥抗震作用，以减轻建筑结构的抗震反应。目前已经成为结构工程学科中一个十分活跃的研究领域，被称为土木工程的高科技领域。结构振动控制技术根据所采取的控制措施是否需要外部能源可分为：被动控制、主动控制和混合控制，以下将分别对这些控制技术予以简述。

一、隔震与消能减振原理概述

结构变形吸收是建筑结构对地震带来的能量进行消除的主要方式，也就是说，建筑结构变形吸收的能力是决定建筑应对地震强度能力高低的主要因素。在传统的建筑结构中，对于隔震与消能减振的要求是比较低的，这种建筑结构对于处理小型地震方面可能是可行的，但是一旦发生规模和强度较大的地震，这种建筑结构可谓是不堪一击的。因此，提高建筑结构隔震与消能减振的能力就成了势在必行的设计标准。

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隔震原理

在整个建筑中，隔震层将建筑分为三部分结构，即上部、隔震层和下部。

这是保证地震产生的能量能够经过下部结构——隔震层——上部结构的层层消除之后，将能量降低到最小的有效措施。因为地震能量由下部结构传播到隔震层的过程中会消耗一部分的能量，而隔震层主要的功能就是为了消耗地震能量，这一结构能够将大部分的地震能量消除，再由隔震层将地震能量传播到上部结构时，仅会剩余小部分能量。隔震层的设计，使上部结构的周期发生了改变，有效的控制了地震能量给上部结构带来的影响，大大增加了上部结构应对地震能量的弹性，甚至对于隔震层强度较大的建筑，地震能量只会对建筑产生很小的影响，使建筑仍旧维持在自然弹塑性变形的初期状态。

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消能减振原理

所谓的消能减振，是指在建筑结构中放置能够有效消耗地震能量的元件，并通过这些元件的设置来降低地震能量。这种消能减振的原理能够通过产生弹塑性来对建筑变形进行控制，将地震带来的能量降到最低，对建筑结构进行保护，保证建筑结构的安全性和稳定性。这种建筑结构的消能减振原理是一种比较“柔性”的设计方式，但是能够对地震产生的强大能量进行消减，是一种“以柔克刚”的建筑结构设计方式。

二、被动控制

被动控制是指不需要借助外部力量的振动控制技术，它通过在建筑结构的某个空间部位添加子系统，或通过对结构自身构件构造的处理来改变结构自身的动力特性，被动控制是目前结构应用开发的热点，很多被动控制技术也已日趋成熟完善，在实际操作中应用广泛。被动控制从其控制机理来看可分为两大类：基础隔震与耗能减震。

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基础隔震

基础隔震是限制地震能量进入上部结构的方法。常用的隔震机构和体系如叠层钢板橡胶支座、复位弹簧和平面滑板并联机构、摩擦摆体系 (FPS )和其它隔震、减振复合体系已用于许多实际工程。

纵观近年来隔震技术的发展发现，隔震技术的特点如下：

• 隔震技术应用的范围越来越广泛，不仅在新建建筑项目中应用广泛，在对现 有建筑进行加固的工程中也得到了普遍认可。

• 隔震建筑设计形式日趋多样化，从早期主要应用在砌体结构和钢筋混凝土结构中发展到木结构、钢结构和组合结构中。

• 隔震技术可供人们选择的隔震装置口日趋多样化，而且新的隔震方法被人们不断提出，混合隔震技术的采用已成趋势。如国内对橡胶支座的回转刚度、系统的水平刚度、设置在底层柱顶上的橡胶支座与柱的串联刚度进行了实验和理论分析，在竖向隔震机构的研究方面现已开始受到重视。

目前在推广应用中的主要问题还是造价与常规的抗震技术相比尚属偏高。因此，需要继续研究开发经济高效的隔震橡胶支座及其配套机构，充分发挥橡胶支座的竖向承载能力和水平变形能力。降低造价的主要途径是降低上部结构的设防标准和使用比较小的橡胶支座，但有时要承担一定风险。为确保安全，应该开展以下研究工作：

隔震机构在大变形和后屈曲条件下的潜力、形态和必要的保护措施； 

隔震层设置限位挡块以后可能发生的撞击作用及其影响，这些题近几年内已 取得了一些进展；

配套的上部结构和转换层设计方法，特别是在框剪结构中剪力墙底部隔震支座的设计计算和构造要求等；

建立相应的高技术产业，进一步提高橡胶支座的性能指标，完善质量保证体 系；

开发具有自适应能力的智能型隔震系统，此外对橡胶支座隔震体系也还有一些问题值得研究，例如由于倾覆力矩引起的局部提离和受拉，固端的转动影响，高阻尼橡胶支座，复杂结构的隔震分析方法和计算机软件等。此外，隔震体系的优化设计方法也是值得进一步研究的问题。

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耗能减震

耗能减震，具体来说就是把建筑结构的某些地方如：空间、层间、连接缝和节点等，安装上消能装置。这样在有小风或者小震发生时，这些消能装置与建筑结构一起作用，让结构处于弹性状态，满足正常情况下的使用要求。在遇到大风或大震时，伴随建筑结构侧向变形的加大，消能装置能够产生较大的阻尼，从而大量吸收、消耗输入建筑结构的风振或地震能量，进而让建筑结构所吸收的变形能或动能以热能的形式散发出去。能够迅速减少建筑结构受大风或大震影响带来的反应，保持建筑整体结构较好的弹性状态。目前经常采用的耗能装置有：摩擦耗能减震装置、粘滞阻尼器、金属阻尼器和复合型耗能器。

经过研究和实际采用发现这种减振技术具有以下优点：

• 安全，依靠耗能装置可以大量吸收、消耗地震能量，从而达到保护建筑主体结构的目的。

• 经济，采取这种柔性耗能方式可大量减少剪力墙的数量、减少锚固构件的配筋和断面。

• 合理，通过耗能装置可以有效耗散能量，减轻地震反应。

• 适用范围广，维护费用低。

三、主动控制

主动控制与被动控制有明显的不同，它是需要借助外部力量的一种减震控制技术，通过施加与外来振动相反方向的控制力以实现结构减震控制。其工作原理是这样的：首先，传感器对建筑结构的动力响应与外部刺激进行检测；然后将监测的数据发送到计算机系统；再次，由计算机根据程序给定的算法计算出应施加力的大小；最后由外部能源驱动产生控制系统所需的力。目前主要研发的主动控制装置有：主动质量阻尼系统、主动支撑系统、主动拉索系统、气体脉冲发生器等。

主动控制是一种高技术手段，理论上讲是很有效的，对于尺度和载荷都很大的土建结构来讲，由于消耗很大的能源，现实意义不是很大，但对保护设备、设施的安全和减轻由于设备破坏引起的次生灾害方面则是很有效的。在土建结构中常用的主动控制方法是，在结构中适当的位置上应用作动器拖动附加质量块 (AMD )或在结构内部（例如房屋楼层之间）安装作动器与弹性元件（拉索或杆件）施加控制力。日本鹿岛公司建的第一栋主动控制房屋用的就是AMD系统。我国在土建结构主动控制方面的研究主要集中在分析、设计方法和模型试验，以及控制系统的计算和优化设计的研究等方面。主要涉及控制规律的选择和时间延迟补偿、反馈方式和参数、结构系统识别与预测方法、参数的不确定性、系统的鲁棒性和可靠度等。为了进一步改善控制的效果，人工智能技术在结构地震反应控制中的应用日益受到重视，如模糊数学方法、遗传算法、神经网络技术、联想记忆系统等。在结构控制中常用的作动器（或执行器）有液压作动器与伺服驱动马达，但近年来对电流变、磁流变、压电和形状记忆合金型作动器等也已开始研究。主动控制技术为建造更安全的抗震建筑提供了新的途径。但是机构复杂、建设和维护费用昂贵，这些都限制了其在土建结构中的实际应用。

四、半主动控制

所谓的半主动控制系统，是指对建筑结构所能够承载的地震参数，以控制机构来进行自动的调节的一种振动控制系统，并以这一系统来达到消能减振的目的。半主动控制技术不需要很大的外部力量需求，仅仅通过蓄电池就能够实现对振动控制技术来进行控制，并且以开关来进行对振动控制系统的操控，对系统的工作状态来进行调节，使建筑结构自身的特性发生改变。

五、混合控制

将主动控制与被动控制结合起来，应用或采用其它复合控制方式通常称为混合控制，其最常用的形式是用作动器拖动调谐质量阻尼器 (HMS )。日本已建成的20多栋主动控制房屋绝大多数采用混合控制方式，其中最高的是1993年建成的横滨三菱重工界碑 (LandMarkTower )，70层296m高，钢结构（其中有部分是劲性混凝土），在顶层用了两个吊重通过马达加控制力，这也是日本最高的建筑之一。由于超高层建筑主体结构的基本周期长达4 ~ 5s，为使吊重与主体结构的周期近似相等，要求采用很长的吊杆（绳，例如10m），并占用高大的空间。为节省空间和减小吊绳长度，通常可以采用分级悬吊的方式。HMS的改进形式是TMD和AMD的复合系统，此系统能在一定程度上减小作动力。我国近年来对混合控制也已给予了更大的重视。东南大学土木系曾与美国布法罗纽约州立大学地震工程研究中心合作，在南京电视塔原有TMD的基础上采用混合控制技术，以减小结构在强风和地震中的反应，这是继日本之后将这项技术应用于实际工程的又一实例。主动控制、半主动控制和混合控制由于都需要实时观测结构反应，并进行实时分析和反馈控制，系统极为复杂，在推广应用方面受制于经济和技术条件。相比之下以增加结构阻尼、避免共振的被动控制技术则更适合在众多的实际工程中应用。

六、结论

随着防震技术的快速发展，现代建筑物的防震性能大大提高了，各国研发出了越来越多的防震装置和技术。我国是地震、台风频发国家，还需不断加快建筑结构振动控制技术的研究，借鉴国外先进技术、装置和材料，根据本国建筑物建设的实际情况，研发出更多优质的减震产品，提高居民住宅的抗震性能，为老百姓提供更加安全的住宅环境，保护老百姓的人身财产安全。

由于在结构地震反应控制中，所面对的激励以及所需要保护的对象本身都是时变系统，并具有较大的不确定性，建筑结构的尺度和载荷又都很大，因此无论是在技术和经济方面都存在着较难克服的障碍。

1.传统的依赖结构延性的抗震措施是以一定的损伤为代价减小地震反应，应用减振消能技术则可以减小结构本身的损伤，对各类结构基本上都能适用，其减振效果对地面运动特性依赖性较小，耗资也不是很大，因此是可以广泛使用的方法。值得注意的是增大阻尼在减小结构相对位移反应和变形的过程中，有时会使结构的绝对速度和加速度增大，从而对内部设备和人员带来某些不利影响。对有特殊性能要求的建筑物，其在防灾减灾方面的问题也应该引起注意。

2.基础隔震对在短周期地面运动影响下的中短周期结构而言，其减振效果比 消能技术更好，但对地面运动输入特性比较敏感，不能完全消除共振的危险性。

3.半主动控制和混合控制方法可以满足不同的设防要求，对地面运动和结构 本身不确定性的适应能力更强，可以提高结构在地震作用下的安全性，引入智能元件以后效果会更好，因此是值得重视的新领域。

4.此外尚应在不同学科和专业之间开展合作和交叉研究，开发实用的装置、 机构和配套技术，尽快形成新的产业，以支持新技术的推广应用。

结构振动控制的研究和应用，需要将传统的建造技术与高新技术相结合，使结构的安全保障系统成为智能结构的重要组成部分，为人类营造一个更加安全舒适的工作和生活环境。

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