试谈土木工程结构减震控制方法

摘要： 本文从结构控制的角度出发， 论述了振动减震控制技术在现代抗震技术中的应用和发展以及隔震技术和消震技术的两种应用方式， 最后概述了结构减震控制的最新研究及未来发展趋势。

关键词： 结构减震， 隔震， 消震， 土木工程

前言：传统的结构抗震是弹塑性设计方法， 采用增强结构本身的抗震性能（ 强度、刚度、延性） 来抵御地震作用， 这是被动消极的抗震对策。由于人们对未来地震灾害作用的强度和特性尚不能准确地估计， 按传统抗震方法设计的结构不具备自我调节的能力。因此， 结构很可能不满足安全性的要求， 而产生严重破坏或倒塌， 鉴于结构减震控制技术涵盖范围太大， 下面讨论其中的隔震控制技术及耗能减震技术。

一、结构减震控制的概念及分类

应用结构控制系统是解决结构工程安全性问题的一个可替代的方法，从而为结构控制理论在土木工程中的应用指出了光明的前景。结构控制的概念可以简单表述为： 通过对结构施加控制机构， 由控制机构与结构共同承受振动作用， 以调谐和减轻结构的振动反应， 使其在外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围内。结构减震控制根据是否需要外部能源输入可分为被动控制、主动控制和混合控制。被动控制是指不需要能源输入提供控制力， 控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息的控制方法。文中所讨论的基础隔震、耗能减震等均为被动控制。

一、隔震控制技术

1 隔震控制技术的基本原理

由地震反应谱知， 随周期的增大， 加速度反应谱逐渐减小， 通常低层建筑物的刚度很大， 因而周期短， 地震时输入其中的加速度较大， 所以如果采取措施加大延长结构基本自振周期， 使其远离场地的卓越周期， 使结构的基频处于地震能量高的频段之外， 将会有效地降低建筑物的输入加速度。同时由地震反应谱还可看出， 当周期增大时， 位移反应谱逐渐增大， 这就是说地震时由于建筑物周期的增大， 反应位移将增加， 若同时再加上阻尼， 反应位移将不会过大， 而且反应加速度下降的效果将更好。

2 常用的隔震装置及其应用

2. 1 橡胶支座的应用

现代用于隔震的橡胶支座由橡胶片和薄片增强钢板粘合硫化加工而成， 容易采用现代橡胶化工技术制造， 如图1 所示。它的水平向刚度较低， 而垂直向刚度则很高。这种形式的橡胶支座首先在桥梁上使用。建筑与桥梁所用的橡胶支座结构基本相同，有类似的结构动力学要求， 也同样具有耐久性、可靠性和包括防火在内的环境耐受性问题， 在地震荷载作用下， 橡胶支座可以隔离水平向的运动分量但在垂直向保持不动。因而既可以隔离由于地铁或公共交通产生的高频振动， 也可以保护结构免受地震或其他振动的伤害。

2. 2 铅芯橡胶支座的应用

铅芯橡胶支座是在叠层橡胶支座中部圆形孔中压入铅而成的， 是对橡胶支座的一大改进。由于铅具有较低的屈服点和较高的塑性变形能力。铅芯具有提高支座的吸能能力， 确保支座有适度的阻尼， 同时又具有增加支座的初始刚度， 控制风反应和抵抗微震的作用。铅芯橡胶支座既具有隔震作用， 又具有阻尼作用， 因此可单独使用， 无需另设阻尼器， 使隔震系统的组成变得比较简单， 可以节省空间， 在施工上也较为有利。

三、耗能减震技术

1 耗能减震技术的基本原理

结构耗能减震技术是在结构物某些部位设置耗能装置， 通过耗能装置产生摩擦， 弯曲弹塑性滞回变形耗能来耗能或吸收地震输入结构中的能量， 以减小主体结构地震反应， 从而避免结构产生破坏或倒塌， 达到减震控震的目的。而装有耗能（ 阻尼） 装置的结构称为耗能减震结构。耗能减震结构具有减震机理明确、减震效果明显、安全可靠、经济合理、技术先进、适用范围广等特点。

2 常用的耗能减震装置及应用

2. 1 摩擦耗能装置

摩擦耗能器是根据摩擦做功而耗散能量的原理而设计的， 目前已有多种不同构造的摩擦耗能器， 如Pall 型摩擦耗能器， 摩擦筒制震器， 限位摩擦耗能器， 摩擦滑动螺栓节点及摩擦剪切铰耗能器等。摩擦阻尼器种类很多， 但都具有很好的滞回特性， 滞回环呈矩形， 耗能能力强， 工作性质稳定等， 图2 即为回复力特性曲线。

2.2 钢弹塑性耗能器

软钢具有较好的屈服后性能， 利用其进入弹塑性范围后的良好滞回特性， 目前已研究开发了多种耗能装置， 如加劲阻尼装置、锥形钢耗能器、圆形（ 或方框） 钢耗能器、双环耗能器、加劲圆环耗能器、低屈服点钢耗能器等。这类耗能器具有滞回性能稳定、耗能能力大， 长期可靠并不受环境与温度影响的特点。图3 即为典型的回复力特性曲线。

2.3 粘弹性阻尼器

典型的粘弹性阻尼器是由两个T 型约束钢板夹一块矩形钢板而组成， T 型约束钢板与中间钢板之间夹了一层粘弹性材料， 在反复轴向力作用下， 约束T 型钢板与中间钢板产生相对运动， 使粘弹性材料产生往复剪切滞回变形来增加结构的阻尼， 耗散输入的振动能量， 从而减小结构的振动反应。

四、结构减震控制的最新研究及未来发展趋势

由地震反应谱知，随周期的增大，加速度反应谱逐渐减小，通常低层建筑物的刚度很大，因而周期短，地震时输入其中的加速度较大，所以如果采取措施加大延长结构基本自振周期，使其远离场地的卓越周期，使结构的基频处于地震能量高的频段之外，将会有效地降低建筑物的输入加速度，从而达到减震的作用。基础隔震是在建筑结构底部与基础顶面之间设置隔震控制体系，使上部结构与基础分离。通过隔震体系隔离地震波向上部结构的输入，延长结构基本周期，减小输入上部结构的地震能量，降低建筑物地震反应，使结构加速度反应减小，实现地震时建筑物只发生较轻微的运动和变形，从而保障建筑物的安全。目前隔震研究的重点和今后的发展在以下两个问题上：

1 近场强地震条件下， 沿断层破裂方向有一个很强的加速度与位移脉冲。当位移脉冲超出隔震系统的最大允许位移时， 结构会与限位装置发生碰撞， 对结构产生冲击。这种冲击对结构的安全是有害的。

2 结构阻尼的分布影响结构动力特征已经为人们所认识， 通过在结构的特定部位设置阻尼器控制结构的动力特性， 减弱结构在地震中的动力反应使结构更安全是目前隔震研究中的热点， 目前主要集中在新型阻尼器的研究上， 如何使阻尼器在小位移下就可以有效地产生所需的阻尼。

五、 结语

目前， 世界上许多国家开展了结构减震技术与理论的研究，并致力于该技术的推广应用。结构减震控制技术是一门科学性和技术性很强的应用科学，在结构设计中应用减震控制技术， 能很好地减小地震反应从而降低抗震等级， 同时建筑物的总造价增大不多。另外， 随着结构减震技术的发展， 减震系统造价不断减低， 减震房屋的经济效益会越来越突现。结构减震技术代表着未来抗震技术的发展方向， 值得大力推广应用。

参考文献：

[1] 周福霖. 工程结构减震控制[M] . 北京： 地震出版社， 1977.

[2] GB 5001122001， 建筑抗震设计规范[S] .

[3] 黄永林. 基础隔震研究与应用的回顾与前瞻[J] . 地震学刊，1998.