底层柔性结构振动控制研究综述

摘要：

文章对高层建筑底部大空间柔性结构的抗震性能进行了分析，高层上部结构与底部结构的侧向刚度差异较大，新型延性构件的出现给底部柔性结构的抗震研究提供了新的思路。从技术上、材料上对这一问题进行研究，给出几种可行的方案，综合论述底层柔性结构今后的发展方向。

关键词：底层结构抗震延性支撑减震系统阻尼器

中图分类号： TU3 文献标识码： A 文章编号：

1 问题综述

随着城市建设的发展，城市中楼房的数量和密度日益增加。大量住宅的建成，必然要有相应的社会性公用建筑与之配套，如商店、食堂、餐厅、托儿所、幼儿园、办公及水电设备用房等。如果在高层建筑的底部不能形成空间用以解决部分上述用房，便需在规划上另行布置大量附属建筑。由于城市规划要求、建筑使用功能和用地紧张等方面的原因对于临街的住宅和办公楼，一般均要求在底层设置商店、车库等底部大空间结构。底层大空间建筑，其上部作为住宅、写字楼，下部作为商业用房，具有优越的使用功能，在实际工程中大量存在。但是，底层大空间结构体系的底层侧向刚度远小于上部的侧向刚度，形成上刚下柔的底层柔性结构。在水平地震作用下，底部变形集中，震害严重，甚至在底部倒塌。同理，底层框架砖房由两种不同的承重及抗侧力体系构成：上部砖房为较刚性的砖房，抗侧刚度大；底部为较柔性的框架，开间大，抗震墙少，抗侧刚度小，易成为变形集中的薄弱楼层。《建筑抗震设计规范》依据震害经验及其结构特点,对底层框架砖房的总高度和总层数都作出了明确限制。文献[1]对汶川地震中广元市底层框架结构房屋的震害进行了调查和分析，结果表明广元市21幢底层框架结构中有一半发生了中等以上的破坏，主要破坏部位为结构的薄弱底层和二层过渡层，由于设计未考虑框架梁能与上部墙体组合受力，致使底层框架梁尺寸偏大,结构出现了“强梁弱柱”现象。

2 提高结构延性技术

过去相当长时间内，抗震技术是沿用“硬抗”的途径，即采用加强结构、加粗构件断面、加多构件配筋等提高结构刚度等方法来抵抗地震，但新的延性构件的出现大大改进了传统的做法。

2.1 底层加设支撑

研究表明：底层支撑对底层薄弱层位移有良好的控制效果；底层支撑的存在使顶点位移在正、负两向有相近的值；底层支撑设置量存在一个较优的比例，按此比例设支撑后，层间位移分布较均匀，最大层间位移正、负两向总均值较小，顶点位移得到有效的控制，P-效应较小。文中给出的该结构底层支撑的合理设计原理和方法可供抗震设计参考。由于使用功能空间的限制，增设的支撑耗能能力有限，有时尚不能满足结构的抗震性能需求。

2.2 带暗支撑剪力墙

暗支撑是指在普通剪力墙配筋基础上，加配暗支撑纵筋和箍筋，形成钢筋混凝土核芯柱，有X形、人字形和八字形。地震时暗支撑作为第一道防线首先进入屈服，除其弹塑性变形可消耗能量外，更主要的是它有效地限制斜裂缝开展，使斜裂缝均匀分布，具有较好的抗震耗能能力。在混凝土开裂前的弹性阶段，带暗支撑剪力墙结构的抗震性能与普通剪力墙结构基本相同；在混凝土开裂后的弹塑性阶段，带暗支撑剪力墙结构的结构抗力明显大于普通剪力墙结构的结构抗力，带暗支撑剪力墙结构模型的底层最大层间位移反应比普通剪力墙结构模型的底层最大层间位移反应显著减小。但该方法只适用于剪力墙结构或框架-剪力墙结构。

2.3 钢管混凝土耗能低剪力墙

钢管混凝土耗能低剪力墙与普通整截面低剪力墙相比，抗震性能明显提高，其弹性刚度和极限承载力较普通剪力墙降低不多，但变形和耗能能力大大提高。该耗能低剪力墙用于底层框剪砌体结构抗震时，能充分利用钢管混凝土柱的良好滞回性能，消耗地震能量，保护上部砌体结构不发生破坏或破坏较轻，同时底层也不发生过大的位移。但该体系震后修复困难，且仅适用于框架-剪力墙结构或底层框剪砌体结构。

2.4 混凝土脊柱墙

为了提高框架结构的抗震性能，保证其薄弱层在强震作用下的安全性，文献[2]提出了一种利用混凝土脊柱墙加固已有结构的方法。混凝土脊柱墙是在不破坏原结构墙体的前提下，采用钢筋混凝土对原结构每层中部的墙体进行加固，从而在结构整体中形成一条“脊椎”，有效地保证结构整体和薄弱层的安全。通过对一幢9层结构进行动力分析，分析结果表明该方法能够有效地提高结构的延性，从而改善结构整体的抗震性能。

3 减震控制技术

一些专家学者采用隔震、减震等新技术对底层柔性结构进行了一些研究。

3.1 液压质量调谐减震系统

液压质量调谐减震系统(HMS)是由液压缸、导管、活塞及惯性质量等组成的一种减震装置。它具有结构简单、造价低廉和安装方便等优点。通过相关研究可以看出，HMS系统可以有效地控制底层柔性结构柔性底层的地震反应，控制效果可达50%以上，同时上部结构的层间位移也得到了有效地控制，从而改善了底层柔性结构的整体抗震性能。

3.2 液压阻尼控制系统

液压阻尼控制系统是对液压质量调谐系统的一种改进，即取消了HMS系统的惯性质量，变为液压阻尼系统(HDS)。当结构因地面运动而产生振动时,活塞及管路中的油液也随之振动,结构的一部分振动能量传给了液体,变为液体的动能及其阻尼耗能,从而减小了结构的振动。文献[3-4]对液压阻尼控制系统进行了试验研究、时域和频域分析，分析结果表明该系统是通过改变原结构的动力特性达到控制结构地震反应的目的，由于对结构设置了附加阻尼，使结构的地震反应得到了有效地控制。

上述HMS系统和HDS系统均具有构造简单、造价低廉的特点，但是两者均需要一个与结构脱离的支撑体系，该支撑体系增加了建筑物的占地面积，使得结构造价增高，因此，HMS和HDS在实际工程中的应用受到限制。

3.3隔震技术

在底层柔性结构中应用以聚四氟乙烯为滑动材料的滑移支座[5]，将其安装在底层剪力墙的顶端，当结构受到较小地面激励时，隔震体系表现出刚性特点；当地震动强度超过一定水平时，摩擦滑移层开始滑移，发挥隔震作用，这时即使地面激励再增大，传给上部结构的地震作用也不会随之增加。经试验分析，滑移层的耗能及隔震使得原结构在地震作用下的受力状态得到改善，耗能能力提高，上部结构侧移量减小。

文献[6]提出了一种隔震柱体系来代替传统的底层框架柱，从而提高底层柔性结构的抗震性能或对既有结构进行抗震加固。这种隔震柱体系基于摩擦摆原理，采用普通钢材，其设计方法与传统隔震结构类似。文中通过一个实际工程计算，验证了该结构体系的可行性和有效性。

文献[7]采用钢管混凝土柱作为底层的耗能柱，用承重墙和橡胶隔震器来控制底层倒塌破坏的耗能-隔震柔性底层组合结构体系来提高底层柔性结构的抗震性能。这种结构体系充分利用了钢管混凝土柱的良好耗能特性来吸收和耗散地震输入结构的能量，用隔震器承受一部分结构的重力荷载，避免底层变形过大造成的结构倒塌。研究表明合理搭配底层钢管混凝土柱的刚度、橡胶隔震器的刚度与上层钢筋混凝土柱的刚度，减震效果显著，可以有效的减少结构的损伤。

3.4 摩擦型阻尼器

文献[8]采用摩擦阻尼器对美国加州的一栋底层柔性结构进行了加固分析。该结构为两层，底层为框架薄弱层，二层为砌体结构。文中对采用传统加固方法(加钢支撑)和采用摩擦型阻尼器的加固方法进行了对比，无论从用钢量，还是从减震效果上看，后者都明显优于前者。

3.5 形状记忆合金阻尼器

文献[9]以底部大空间结构的地震反应特点为基础，结合形状记忆合金(SMA)材料在结构振动控制中的研究和应用现状，采用理论分析、试验研究和计算机模拟相结合的方法，主要研究SMA阻尼器及其在底部大空间结构中的抗震控制原理和方法。计算结果表明：SMA阻尼器以及所提的被动抗震控制方法，能够明显地减小底部大空间结构的地震反应，但其造价较贵，不利于推广。

3.6 软钢阻尼器

底部大空间结构在遭受地震作用时软钢阻尼器起到了一定的减震作用，特别是在大震作用下，加入软钢阻尼器的结构模型最大水平位移和层间剪力明显减小，同时加强了薄弱层处的刚度，使结构的整体抗震性能得到了改善，但是结构的加速度有所提高；底部大空间结构中薄弱层所加入的软钢阻尼器的数量并不是越多越好，阻尼器的数量增加，虽然对于薄弱层刚度的提高明显，且改善了底部大空间结构“上刚下柔”的弱点，但同时也会使结构上部各层加速度提高过大，反而影响了结构整体的抗震性能，还会使工程的整体造价提高。

3.7 磁流变阻尼器

通过算例模拟安装磁流变阻尼器进行结构振动控制的柔性底层结构在EI Centro地震的作用下的反应，结果表明磁流变阻尼器对柔性底层结构的底层位移具有很好的控制效果，对速度和加速度也有较好的控制效果。磁流变阻尼器对柔性底层结构的底层位移的控制效果可以达到50%左右，在实际工程中是可行的控制方案。但是，磁流变阻尼的控制系统客观存在时间滞后，影响控制系统的性能，且对外界条件要求高，不利于实际工程推广。

3.8 混合阻尼墙

日本学者YAMAKAWA提出一种混合阻尼墙并将其应用于底层柔性结构的抗震加固。该种加固方式与传统加固方式进行对比可以看出，这种加固方式比传统加固方式效果出色，尤其是大震作用下的结构反应。

4 位移型和速度型阻尼器减震对比研究

文献[10]结合结构振动控制研究的公共平台——Benchmark问题，对位移型(金属)和速度型(黏弹性)阻尼器控制下的结构非线性反应进行对比研究。文中对于3层、9层和20层三种结构的10种地震工况进行了分析，并提出了相关的6个评价指标。结果表明：对于3层结构，黏弹性阻尼器在各种地震动作用及不同加速度峰值下，对结构反应类6种指标均有较好的控制效果，且在近、远场地震动作用下的控制效果相当。金属阻尼器对于结构最大层间位移角和层间位移角均值的控制效果均较好，而对于各种地震动作用下的加速度反应和基底剪力多数会有不同程度地放大。对于9层Benchmark结构，两种类型阻尼器对结构最大层间位移角和层间位移角均值的控制效果都很好。黏弹性阻尼器对6种指标的控制效果都很好，且在远场地震动作用下，对于结构基底剪力峰值和均值的控制效果好于近场地震动作用。金属阻尼器的附加对近场地震动作用下的结构加速度反应基本无影响，对于远场地震动作用下的加速度反应有不同程度的放大;不同地震动作用下，对于结构基底剪力也有不同程度地放大。对于20层Benchmark结构，黏弹性阻尼器对6种指标的控制效果均较好，且在远场地震动作用下的控制效果略好于近场地震动作用下的控制效果。金属阻尼器对结构最大层间位移角和均值反应略有降低，由于附加的刚度不大，对于加速度反应基本没有影响，对结构基底剪力略有放大。文中还建议在设计、应用中，优先选用速度型阻尼器进行消能减震控制。对于中、低层建筑而言，采用位移型阻尼器也可以较好地控制结构层间位移角，但应对阻尼器进行参数优化，并充分考虑该类阻尼器对结构加速度和基底剪力产生的不利影响。

5 研究可行性

综上，本文前三节所述大多数学者只是采用单一的减震方法对底层柔性结构进行分析，结论大多是减震效果显著，但未进行横向比较，因此具体的工程可行性和性价比等问题未得到考虑。文献[10]虽然对两种类型阻尼器的减震效果进行了对比，得到了一些对比结果，认为速度型阻尼器效果优于位移型阻尼器。但是其研究结论是针对普通结构而言的，对于底层柔性这种薄弱层位移很大的结构，位移型阻尼器未必比速度型效果差，有待进一步研究。另外文献[10]提出位移型阻尼器应进行优化配置才可以发挥其最佳效果，具体如何优化未进行研究。

参考文献

[1] 李翔，吕西林，李建中，等. 汶川地震中广元市底层框架结构房屋震害调查与分析[J]. 结构工程师. 2008(3): 12-15.

[2] Gunay S, Korolyk M, Mar D, et al. Infill walls as a spine to enhance the seismic performance of non-ductile reinforced concrete frames[Z]. San Francisco, CA, United states: 20091093-1104.

[3] 祁皑，李惠，刘季. 液压阻尼控制系统(HDS)控制底层柔性结构地震反应的频域分析[J]. 哈尔滨建筑大学学报. 2000(5): 7-9.

[4] 祁皑，李惠，刘季. 液压阻尼控制系统(HDS)控制底层柔性结构地震反应的时域分析[J]. 哈尔滨建筑大学学报. 2000(3): 14-17.

[5] Mo Y L, Chang Y F. Application of base isolation concept to soft first story buildings[J]. Computers and Structures. 1995, 55(5): 883-896.

[6] Briman V, Ribakov Y. Using seismic isolation columns for retrofitting buildings with soft stories[J]. Structural Design of Tall and Special Buildings. 2009, 18(5): 507-523.

[7] 邱法维，欧进萍. 耗能－隔震柔性底层钢管混凝土结构的振动台实验和损伤分析[J]. 地震工程与工程振动. 1996(4): 88-96.

[8] Oyen P E, Parker J C. Seismic rehabilitation of extreme soft-story school building with friction dampers using the ASCE 41 standard[Z]. San Francisco, CA, United states: 2009949-954.

[9] 王振雄. SMA阻尼器在底部大空间结构中的应用研究[D]. 西安建筑科技大学, 2008.

[10] 曲激婷. 位移型和速度型阻尼器减震对比研究及优化设计[D]. 大连理工大学, 2008.

作者简介：徐干，男，出生于1985年7月，助理工程师，现就职于诺派建筑材料（上海）有限公司