减震、隔震原理及在抗震技术中的研究与应用

　　【摘 要】：传统的抗震技术主要依靠提高结构自身的承载能力及变形能力抵抗、消耗地震能量，立足于“抗”，其目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。 减震、隔震的研究，可实现由“抗”到“控”这一减震防灾观念的重大转变，更可以发挥设计者的主观能动作用，通过调整结构的刚度、阻尼、质量分布或对结构施加外力，可以控制结构的地震反应，从而保护结构安全及建筑功能，避免造成重大的人员伤亡和经济损失。

　　【关键词】：主动控制,被动控制,减震,隔震

　　一、研究起因

　　在目前所知的所有振动中，地震产生的振动从力度、能量来说是最大的，从破坏后果、产生灾害等方面来说是最严重的。所以工程结构抗震设计的目的是减轻结构的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失;同时在地震时使逃生、救援等紧急活动得以维持和运行。一般说来，单体结构的工程控制可以归结为以结构设计规范为代表的结构抗震设计方法和以近年来研究与应用的结构减震、隔震技术为特点的主、被动结构控制理论与方法。后者所述的这种新型结构抗震原理就是通过减震、隔震技术减少和消弱传递到上部结构的地震能，特别是地震力峰值，以减轻结构的破坏，控制地震所带来的灾害。

　　二、减震、隔震原理

　　地震引起结构振动的全过程是：由震源产生地震能，通过传播途径传递到结构上，从而引起结构的振动反应。随着社会的进步，对结构提出了比以往更严格的抗震安全性和舒适性要求，而传统的结构消极抗震设计方法，越来越难以满足这些要求。为此，各国地震工程学家一直在努力寻求新的结构抗震设计方法，以减震、隔震技术为特点的结构控制设计理论与实践，便是这种努力的结果。

　　减震是根据结构的地震反应，通过自动控制系统的执行装置，主动给结构施加控制力，达到减小结构振动的目的。从控制理论的观点看，上述结构减震方法又可分为两大类：

　　被动控制方法：这种方法无外部能源供给，也称无源控制技术，包括隔震技术和减震技术;

　　主动控制方法：这种方法有外部能源供给，也称有源控制技术。

　　隔震是通过某种装置，将震源与结构隔开，其作用是减弱或改变地震动对结构作用的强度和方式，以此达到减小结构振动的目的。隔震又分为主动隔震与被动隔震：

　　主动隔震是将震源隔离起来，使震源产生的振动局限在一定范围内，隔断振动传递路径，对其他结构是一种保护措施。此法适用于只发生小而位置明确的情况下。

　　被动隔震是通过采用一定的措施或附加于结构、吸收或消耗震源传递给主结构的能量，达到减小结构振动的目的。

　　减震、隔震这两种方法的研究和应用开始于20世纪60年代，70年代以来发展很快。这些积极的结构抗震方法与传统的消极抗震方法相比，有以下优点：

　　1.能大大减小结构在地震作用下的变形，保证非结构构件不被地震破坏，从而减少震后维修费用;

　　2.能大大减小结构所受的地震作用，从而降低结构造价，提高结构抗震的可靠性。此外，隔震方法能够较为准确地控制传到结构上的最大地震力，从而克服了设计结构构件时难以准确确定荷载的困难;

　　3.隔震、减震装置即使震后产生较大的永久变形或损坏，其复位、更换或维修也要比更换、维修结构构件方便、经济;

　　4.用于高技术精密加工设备、核工业设备等的结构物，只能用隔震、减震的方法满足其严格的抗震要求。

　　三、减震、隔震在抗震技术中的研究与应用

　　传统的抗震技术主要依靠提高结构自身的承载能力及变形能力抵抗、消耗地震能量，立足于“抗”，其目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。但是随着经济的发展，对建筑物的抗震性能提出了更高的要求：1.承重结构进入塑性阶段对于某些重要结构来说是不允许的，例如：纪念性建筑，装饰昂贵的建筑以及核电站等;2结构体系在设计烈度内虽能避免倒塌，但某些在震后救灾中起重要作用的仪器的破坏和同时造成的次生灾害将非常严重。现代建筑中计算机网络、通讯、电力等对振动变形非常敏感的设备愈来愈多，使得对建筑结构的抗震性能要求愈来愈高，按传统的抗震设计方法，难以满足;3.主体结构破坏后的修复工作难以进行或者代价非常昂贵。

　　自1972年J.T.P.Yao提出土木工程振动控制的概念开始，经过国内外研究者的不懈努力，取得了大量成果，结构振动控制现在已经成为结构抗震领域热点课题之一。由“抗”到“控”是减震防灾观念的重大转变，更可以发挥设计者的主观能动作用，通过调整结构的刚度、阻尼、质量分布或对结构施加外力，可以控制结构的地震反应，从而保护结构安全及建筑功能，避免造成重大的人员伤亡和经济损失。按照控制措施是否需要外部能源，振动控制可以分为主动控制、被动控制、混合控制三种。它可以降低结构的重量，改善结构力学性能，提高结构承载能力和可靠度，使其具有抵抗各种意外荷载或灾害荷载的能力。

　　1.主动控制，即在结构受到扰动而振动时，通过控制系统的作用，施加外部荷载，从而降低结构的动力反应，需要提供稳定的外部能源。主动控制具有抗震的广谱性，目前主要应用于结构的风振控制，在结构的地震控制方面尚处于试验阶段，主要是由于其实现的难度。主动控制需要有复杂的软硬件支持，昂贵的控制系统、维护费用，稳定的外部能源和充足的电源储备，另外其控制的时问滞后也是一个不容忽视的问题。但从发展的角度来看，随着建筑向高、大发展，传统的抗震设计、被动控制将很难满足其抗震要求，主动控制必将成为一种非常重要的抗震手段，尤其对于至关重要的建筑(如核电站等)来说，因为这类建筑在地震中不允许有一丝损坏，否则将造成不可估量的损失。

　　2.被动控制，考虑地震动的一般特性，为隔离或减少(或消耗)输入上部结构的地震能量，在结构的某些部位设置可调整的弹簧、阻尼器等装置，使结构难以发生共振并减少主体结构地震反应的一种控制方法。被动控制包括减震和隔震。

　　1)减震：即通过研究结构的振动特性，事先在结构的某些部位设置各种阻尼器或耗能构件，或设置调谐质量阻尼器(Tamed Mass Dmper，简称为 TMD)、调谐液体阻尼器( TUrned Liquid Dmper简称为 TLD)，改变结构的动力性能从而降低结构的地震反应。从机理上讲减震可分为消能减震和吸震减震。

　　消能减震：即把结构的某些非承重构件(支撑，剪力墙等)设成消能杆件或在结构的某些部位(结点，联结)安装阻尼器，在受到风荷载或轻微地震动时，这些部位处于弹性状态，结构仍然具有足够的侧向刚度以满足正常的使用要求，在强地震作用下，随着结构的变形的增大，这些消能构件或阻尼器首先进入非弹性变形状态，产生较大的阻尼，消耗大量的输入结构的地震能量，从而使主体结构避兔进入明显的塑性状态并迅速衰减结构的地震反应，保护主体结构在强地震中不被破坏。早在1970年代，美国就曾在纽约世界贸易中心的塔楼的梁柱节点处安装了一万个夹板粘滞阻尼器，成功地使风振衰减。近些年的研究表明，采用阻尼器也可显著的改善建筑结构的抗震性能。1980年代以来又发展了干摩擦耗能装置，也有很好的减震效果。我国曾对摩擦阻尼器进行过研究，并且成功地改造过一建筑，有关研究表明，消能减震可以保护结构，在大震下免于坍塌，它既可用于新建结构，也可用于震损结构的加固，并且取得较好的经济效益。

　　同传统的依靠结构本身以及节点的延性耗散地震能量相比，消能减震具有以下的优点：把非承重构件作为消能构件而主体结构基本上处于弹性;震后只需检修阻尼消能构件即可使用;可利用结构的抗侧力构件作为消能构件，无需专设;可有效地降低结构的地震反应。

　　吸震减震：在建筑的某部位设置一个具有质量M，刚度K，阻尼C的子结构，使原结构体系的动力性能发生变化。当原结构承受地震冲击而剧烈运动时，由于子结构系统与原结构两系统的动力相互作用，使原结构的振动明显衰减。目前研究比较多的有：TMD，TLD。

　　虽然目前对于TMD，TLD的研究时间不长，但是已取得了重要的研究成果，其有效性己在实际结构的应用中得到了证实。实践证明TMD系统可以有效的使风振衰减的结论。日本从1980年代至今对被动TMD开展了多方面的研究并且开发其应用，1986年在CHIBA PORT TOWER 125米高上设置支撑式被动TMD，在1987年12月17日近海地震(5级)中经受了考验，取得了良好的降低位移的效果。进入1990年代以来，人们开始将水箱设计成TLD的振动控制方法吸引了越来越多研究者的兴趣，并且迸行了这种体系的实验和分析研究，研究表明 TLD系统可以有效的衰减结构的风振和地震反应。

　　TMD和TLD系统目前在实际结构中主要用于风振控制，用以减小地震反应的则比较少，主要是由于其减震效果主要取决于主次结构的质量比、阻尼比和刚度比，地震的随机性很难使系统在各个阶段都处于最佳状态。

　　2)隔震，按照隔震装置设置位置可分为基础隔震和层间隔震。

　　基础隔震是指在结构底部与基础面之间设置某些柔性隔震消能装置使上部结构与固结于地基中的基础分离，阻隔地震波向上部结构传播，延长结构的自振周期避开地震卓越周期，从而大大减少结构的地震反应的一种结构抗震技术措施。

　　层间隔震不同于基础隔震，对隔震元件层上部结构而言，其工作机理类似于基础隔震;而对隔震层之下部分来说其作用类似于TMD。

　　隔震装置的设置位置通常有：a.将隔震装置置于基底;b.置于底层上部;c.在建筑的不同结构类型部分之间;d.置于桥梁墩顶或其他结构的柱顶;e.置于水箱或其它设备底。

　　隔震装置必须具有以下特性：a.能够支撑建筑物的全部重量;b.能使建筑物在基础面上柔性滑动，使得结构的自振周期大大加长，远离地震卓越周期，从而能把地面振动隔开，有效的降低结构的地震反应;c.当结构受到轻微的地震作用或风荷载时，隔震装置有足够的初始刚度满足正常的使用要求：d.由阻尼器来消耗部分地震能量，使隔震装置变形不致过大，提高其工作的安全性及可靠性，并且降低结构的地震反应：e.良好的恢复力，震后有能力恢复到原先位置。

　　到目前为止，经过抗震工作者的努力，已开发出实用的隔震装置有：GAPEC系统、新西兰系统、D.E.F系统、MAPRA系统。另外还有用RB(叠层橡胶支座，Rubber Bearing，简称为RB)和弹塑性阻尼器配合使用的隔震系统、高阻尼叠层橡胶支座、弹簧隔震器和粘性阻尼器等。这些隔震器被广泛的应用于桥梁、房屋建筑、核电站，研究表明，隔震可以有效地降低结构的地震反应。其中新西兰系统(铅芯叠层橡胶支座，Lead Rubber Bearing，简称为LRB)由于将阻尼器和隔震元件组合为一体，施工方便易于实现并且节省空间，应用尤为广泛。我国隔震建筑大部分采用叠层橡胶支座。

　　现在，隔震已经由理论和试验研究、方案设计、结合实际工程进行分析研究向试点工程和应用发展。隔震作为一种新型有效的抗震手段得到了国际地震工程界的极大重视。新西兰是世界上第一个在结构规范中正式写入结构隔震条文的国家;美国加州地震工程研究中心对叠层橡胶支座体系进行了大量的研究和试验取得了多项研究成果，并且制定了“结构隔震规程”;日本在隔震技术方面也进行了大量的研究，并且兴建了大批的隔震建筑。

　　运用隔震技术的建筑己经经受了实际地震的考验。1994年在美国圣费南尔多发主的洛杉矶地震，震级为里氏6.7级直下型地震，死亡56人，超过7300人受伤，损失很大。在这次地震中，震中附近有两座医院，一座为抗震结构(USC University医院)，另一座为隔震结构(OliVe View医院)。隔震结构在这次地震及其后的余震中，最大地面加速度为0.49g，最大楼顶加速度为0.21g，建筑物内部的各种机器等均未损坏，医院功能得以维持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。而另一座抗震结构，由于建筑结构发生破坏，机器等翻转，并且水管破裂，建筑物无法使用，完全丧失了医院的功能。1995年日本兵库县南部发生地震，该地震为直下型地震，震级为里氏7.2级。在这次地震中，位于震源东北35km的松村组技术研究所研究大楼(3层RC结构隔震建筑)和邻近的管理大楼(3层S结构抗震建筑)，得到了地震观测纪录。从研究大楼的观测数据看，东西向地面最大加速度为265gal，隔震建筑屋面最大加速度为273gal，一层最大加速度为253gal，而抗震建筑屋面最大加速度为677gal;南北向地面最大加速度为272gal，隔震建筑屋面最大加速度为198gal，一层最大加速度为148gal，而抗震建筑屋面最大加速度为965gal。可见研究大楼一层的加速度值比基础小，隔震效果得到发挥，而邻近的管理大楼，其屋面加速度比研究大楼大2-5倍。因此隔震技术尤其适用于对于震后救灾、恢复主产具有重要作用的建筑，如：政府、警察局、电力、通讯、医院等建筑，也适用于博物馆、计算机中心等内部价值很高的建筑，以及建筑物本身价值很高的古建筑等。当前隔震技术在国际抗震学术和工程界得到了极大的重视，各个国家纷纷开展了关于隔震的研究，并推广这一技术建造了相当数量的隔震建筑。

　　四、结语

　　减震、隔震结构同传统的抗震体系相比具有以下优点：明显有效地减轻了结构的地震反应;在遭遇强地震时，上部结构仍处于弹性工作状态，保证了建筑功能的实现，这对于重要的抗震救灾部门来说是非常关键的;抗震措施简单明了，震后修复方便。对减震、隔震的进一步研究不仅具有巨大的经济效益，也具有巨大的社会效益。

　　当然，减震、隔震也具有其局限性，如：对于自振周期T

　　目前对于层间隔震的研究比较少，我国学者曾对应用LRB对房屋加层改造进行了研究，研究表明，利用层间隔震可以有效地降低结构的地震反应。由于层间隔震适用的特殊性，所以在将来的增层改造中将具有非常广泛的应用前景。

　　总而言之，结构减振、隔震技术是一种新型的结构抗震方法，在过去的几十年中，这种技术不仅在新建工程中获得了应用，而且在既有建筑的抗震加固与震后修复中获得了发展。某些采用减震、隔震技术的工程已受到了地震的检验，取得了令人满意的效果。结构减振、隔震技术将结构的“强化”抗震转变为个别部位的“弱化”消震，将结构的被动抗震转变为主动减震与隔震，克服了目前工程抗震中的盲目性与被动性。可以预言，结构减震、隔震技术将成为21世纪减震防灾的重要手段和方法，其在实际工程中，特别在高层建筑中具有广泛的应用前景。

 

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文章名称： 减震、隔震原理及在抗震技术中的研究与应用

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