建筑结构的隔震、减振和振动控制

建筑结构的隔震、减振和振动控制

付大伟

中国建筑第二工程局有限公司   邮编：101101

摘要：为提高建筑物的安全性与稳定性，必须注重隔震、减振等方面的工作，实行标准化的管理，使其既能保证使用的安全，又能达到经济效益与社会效益的双赢。通过对建筑结构隔震减振原理的研究，对隔震减振技术从被动控制，主动控制，半主动控制，混合控制等几个角度进行了详细的研究。

关键词：建筑结构；隔震；减振；振动；控制

引言

最近几年，由于人们对安全的认识不断提高，所以对建筑结构进行隔震、减振和振动的控制研究得到了很大的推广，经过几年的不断发展和改进，它已经可以很好的与实际的项目相融合。随着国内高楼大厦数量的增加，人们对其结构的耐久性能、稳定性能等方面的需求越来越大，需要建造高质量的大厦。因此，我们国家也应当强化这一领域的研究，提升我们国家的建筑水准，才能适应我们国家日益增加的人口以及日益提升的城镇化水平的刚需[1]。

1 隔震与减振的概况

在中国，传统的房屋结构以“大震不垮”、“设防可修”、“小震不坏”为主的房屋抗震设计准则为主，该准则可在中小型震下较好地缓解房屋的局部损伤，但随着地震等级越大，该准则已无法保障房屋的安全，为此，必须探索新型房屋的抗震性能。

2 建筑结构的隔震、减振总体思路

2.1 隔震的原理

建筑结构的抗震设计是以隔震层为基础进行的，而建筑结构通常可以由三个层次组成，分别是：下部结构、隔震层和上部结构，这样的结构设计能够在地震时，从地底传来的震幅能够传递到隔震层，而隔震层能够很好的将地震所造成的损伤能量吸收，剩余的一小部分的损伤能量传输到上部结构中，在这种传输作用力下，建筑的上部结构会逐渐变化，逐渐对地震的破坏能力会有一种抗性，在再次发生地震时，在隔震层的作用下，上部结构也可以很好的消减地震所造成的损伤，呈现出一种弹性的状态，从而有效地增强了建筑结构的隔震性能。

2.2 减振的原理

在建筑结构的抗震系统中，有一个消能减振结构构件，它主要是在建筑结构的抗侧力装置中，通过安装耗能构件，可以再一次实现消能阻尼，即在建筑结构遭受地震的侵蚀时，消能构件和消能装置，利用其弹塑性变形滞回能力，可以将地震地面段，在地下室上部建筑的投影出入口，通常选择室外台阶连接室外坡道的出入口。若将其设于多层地下，则其斜坡将沿多层地下通道弯弯曲曲，显然不适宜用作人防主门[2]。如果以斜道为主入口，则每一楼的侧墙、顶板、柱梁等都要充分地考虑到核爆的动荷载，因此，人防建筑的设计非常的繁琐，并且不具有经济上的可行性。如果户外台阶出入口的数目不够，且斜道虽然是户外出入口，但在地下室中蜿蜒曲折时，可以采用在地下一层中，将台阶出入口上到地下一层的斜道出口，再通过台阶将其转移到汽车斜道或自行车斜道的方式。如此改造后，台阶的入口可以用作主体，而只在台阶和从一楼到户外斜坡的路段以及改造过程中所涉及的地区，才会受到核爆动力载荷的影响。当地表条件不容许同时设有多个户外入口时，两个防护单元可以对其中一个户外入口进行共同使用，且该户外入口的宽度与两个主入口的宽度之和相同。也可以考虑为两个防护单元安装一个户外的剪刀梯子。

2.3 预期效果

就建筑结构来说，减振处理是以消能为基础，达到建筑处理的目的，需要在建造时设置相应的耗能构件，使其尽可能减少地震作用下的破坏能。当发生地震时，相应的设备可以通过其弹塑性特征来控制变形，从而降低其能耗，同时还可以有效地吸收和消耗剪切力的功能，降低其对建筑物的冲击。与常规地震处置方式相比，减振构件的设置可以在技术上提高其使用效能，与灵活运用处置方式结合，可为房屋整体抗震效应最优提供保证。

3 被动控制和主动控制隔震控制技术

隔震技术作为一种有效的结构抗震措施，近年来得到了迅速发展，但目前国内对其抗震机制尚无共识，导致其研究不足，导致其在国内外尚未制定出完善的标准体系，且存在着容易发生翻转的风险。在建筑隔震结构中，在相同的高度下，高阶模态反应谱加速度的减小量将非常大，对于多层体系，高层模态的衰减与低层体系模态的衰减基本一致[3]。

3.1 被动隔震控制技术

其中最关键的是基础隔震技术。在建筑的地基和上层结构之间，通过加一隔震层，将上层结构和底层分隔开来，从而降低了地震的能量传递，从而对主体结构起到了一定的保护作用。与常规的抗震结构比较，技术隔震技术提升了结构在地震中的安全性，对非结构构造的损伤和建筑物中的物品的振动进行了评估。

此外，地震发生后，只要更换一套新的隔震设备，就不需维修，因而很方便。建筑的造型也比较有弹性。但需要更高的减振效果。首先，该隔震设备应具有足够的垂直荷载，能够在平地上进行正常工作；其次，混凝土结构应具有一定的初期刚性及强度，以便在较大的外部荷载下，有效地控制混凝土结构的横向变形；第三，该结构既有很强的横向变形，又有很高的减震和消能性能，在地震作用下，该结构的振动频率接近于其自身的固有频率，并可在地震作用下对结构的抗震性能进行有效的吸收。在此基础上，提出了三种不同的减振系统。一种是利用弹性隔震支撑和滑片支撑隔震系统，一种是利用滑动、移动、滚动和摩擦等多种隔震方式，三种是利用悬挂、悬浮和顶部支撑的隔震系统。除此之外，就是将震动传递到附属装置中，将震动的力量抵消掉

[4]。

3.2 主动隔震技术

主动控制技术是由力装置、传感器、驱动器和实时信息处理组成的系统组成的，当有振动时，可以利用与振动方向相反的控制力来降低振动响应。传感器对建筑的动态响应以及外部刺激进行探测，将探测到的信号传送到电脑中，电脑会按照一定的算法来给出施加力的数值，再在能量驱动的情况下，控制系统会产生与之对应的力，再经过伺服系统和加载装置，将其应用到建筑上，从而实现对其的自动调整。

3.3 半主动控制技术

其中，半主动控制是指通过一种自控机制来实现对建筑物各种参数的自动调整，以实现对建筑物振动的抑制。该装置不需外加电源，无需高强度的电源，只需一块电池即可工作。通常采用的是切换器，切换器用于对建筑物的动态性能进行调整，在建筑物的动态性能发生变化时，切换到相应的切换器，从而达到对建筑物动态性能变化的目的。其中，变刚度减震系统、可控摩擦时变隔震系统和变阻尼系统是最常用的半主动控制减震系统。

3.4 混合控制技术

这种综合了主动和被动两种控制方式的新型结合控制方法，称之为混合控制。该混合控制减振系统兼具主动和被动两种控制方式的优势，在保证减振效率的前提下，能够充分发挥其减振作用，具有重要的工程实用价值。混合控制的类型有很多，例如：主动质量阻尼系统混合调谐液体阻尼系统进行控制，以及将主动控制设备和阻尼消能设备相结合的控制设备等。

4 综合分析四种控制技术

在这四类隔震、减震和减振方法中，以主动式隔震为最优，但相对于其它三类控制方法，其适用范围要小得多。其主要原因是由于建筑物的体积较大，需要的外来能源也较多，同时其计算也比较繁琐。被动控制住由于成本较低，且具有较好的减振作用，因此，被动控制是当前发展最为迅速、使用最为广泛的一种减振技术。半主动控制作为一种介于主动和被动之间的新型控制方法，半主动式控制具有精确、成本低廉、对外界能量消耗小等优点，具有广泛的应用前景。这种综合了各种方法优势的混合控制技术，在实际中得到广泛的推广和应用。我国近几年频繁发生的强震事件，促使人们更加关注研究和开发建筑物的隔震、减振技术，并促使减振技术的发展。

5 减振和振动阻尼器控制技术

5.1 摩擦阻尼技术

减震其基本原理是将抗震设计中的抗震性能传递到特定的构件或机构，实现对抗震性能的有效吸能与耗能，从而保证主体结构的安全性。该技术将耗能原件作为主要构件，作为其主要构件，同时又是一种韧性构件，其调控方式有多种。首先是摩擦阻尼器的应用，该技术将摩擦阻尼器与机体的结构进行串联或并联，从而达到近似于双线型的阻尼器减振作用，常见的装置包括：简易摩擦阻尼器、钢丝绳摩擦阻尼器、螺旋环型阻尼器、简式滑块锁定阻尼器等。由于其自身不具备自复位作用，因此，必须依赖于其自身的刚性来实现自复位[5]。

5.2 铅阻尼器技术

铅阻尼器是新西兰最早研发出来的一种新型减震装置，该装置利用在一定的屈曲压力下，将小孔内的铅液作为一种非摩擦的非压缩弹性材料，研制出一种新型减震装置，这种减震装置具有很好的减振效果。铅阻尼器是根据理想的弹塑性性能来进行设计的，它的滞后性能表现为一个长方形的结构，它可以通过调整屈服限制来满足建筑的要求。

这个技能一旦被设置，就无法更改。当屈服值调整得太高时，在强震下，变形会增加，不利于减震。若调整幅度太小，则无法发挥其对中小震害的耗能效果，因此必须针对房屋的特殊特征及承压构造进行优化调整。现在。有些公司已经开始研究不需要进行调整的阻尼器，但是在目前阶段，对阻尼器的容许范围比较小，对于大变形不宜使用。

5.3 粘弹性阻尼器

这种新型的粘弹阻尼装置通常采用硅胶等聚合物作为减震材料，具有无显著阈值、具有抗强特点，不论大中小型的地震，其减震效果明显。其关键是要改善其弹性模量，降低其变形能力，以及降低其温度效应。尽管这种减震装置具有显著的价格优势，但它在材质和制作过程中都有一些特别的要求。目前国内对该技术研究的重点在于提高了其低频阻尼性能。

5.4 TMD系统

TMD是一种可调节的质点式阻尼设备，它可以将动力传递到主要的建筑上，从而降低主要建筑的振幅。该体系最早是日本一家公司开展的，该体系对大规模的地震起到了一些刹车和防护作用。国家针对该体系的特点，就其高层建筑进行了详细的规划。该体系的减振性能依赖于主、辅结构的配比（频率比、质量比、阻尼比），需要通过调整或外加外力，才能保证体系在每一阶段都能达到最优。

结语

随着国家的快速发展，国家对抗震的研究也在不断的深化，现在，已经开发出了许多切实可行的，可以有效提高建筑结构的抗震性能的办法，然而，研究的过程将无休止，目前仍有许多问题需要人们去探究，要想解决就需要加大对地震中的建筑结构的控制规则的力度，在不断的探索下，建筑结构的隔震、减振和振动控制的技术将会变得更加完善，它将会让建筑结构更加的安全，更好的抵抗地震的危害，让人们生活的更加的舒服。

参考文献：

[1]施媛婷.高层建筑结构设计中的隔震减振措施研究[J].价值工程,2021,40(1):139-140.

[2]丁肇伟,陈龙珠,李庆来.基底隔震的多层建筑结构自振频率和振型解析[J].哈尔滨工程大学学报,2020,41(3):357-361.

[3]赵昆虹,刘露.建筑结构隔震和减振措施探讨[J].建材 发展导向(下),2021,19(2):104-105.

[4]黄志坚,苏成,谭平,等.建筑隔震结构地震响应计算的层间剪力校准系数法[J].建筑结构学报,2020,41(8):58-67.

[5]江丽玲,陈伟恩,刘林,等.《福建省隔震建筑结构构造 图集》编制技术分析[J].水利与建筑工程学报,2020,18(3):215-222.