【抗震技術】隔震技術的過去、現狀及未來發展方向

隔震技術的過去、現狀及未來發展方向

中國地震局地震研究所

摘要：

傳統的抗震設計方法是考慮結構的延性來耗散地震能量。但問題在於它是用結構承重構件本身來抵禦地震，為了經濟起見往往使承重構件在塑性階段工作。這樣受到一次強烈地震時，結構構件在利用它的延性和自身變形能力耗散地震能量的同時，自身機構也受到了破壞。為解決這個問題，在結構上附加各種耗能阻尼器，以吸收地震能量，減小結構地震反應，從而促進了工程減震技術的迅速發展。現在，以改變結構頻率為主的隔震技術是結構抗震控制技術中研究和應用最多、最成熟的技術。

關鍵詞：抗震設計、隔震技術、耗能阻尼器、地震反應

引言

隔震主要是指在建築結構地面以下部分設置隔震裝置（或機構），以減弱地震動輸入給地面以上結構的能量，減小結構振動而採取的一種結構抗震技術措施。

隔震的概念由來已久，早在我國古代人們已經懂得用蒸熟的糯米和石灰混合，利用具有柔性和衰減性能的糯米層對地震能量的吸收能力，對一些重要的建築物基礎進行處理，從而起到了隔震效果。在日本，人們也早已懂得利用增加強度和阻尼控制結構反應對結構物進行減震隔震處理，譬如，在7世紀和8世紀建成的法隆寺五重塔，就是該塔上部吊有象電線竿那樣的長木竿，竿的自重對五重塔起到了預壓力作用，提高了塔的抗彎能力，竿的下部置於比竿直徑還大的圓筒形洞內，地震時五重塔振動的一部分能量被竿的振動所轉移，竿猶如振子振動碰撞洞壁，使能量耗散（這種方法與近代許多控制系統所採用的原理

一致）。

隔震原理與技術發展

工程結構在地震作用下會產生振動，過大的結構振動現象不僅會影響到結構物的正常使用，還會造成主體結構的破壞、甚至倒塌。有的雖然主體結構未破壞，但由於建築飾面、裝修或非結構配件、室內昂貴儀器、設備的破壞而導致嚴重的損失。傳統的抗震設計都是通過提高結構構件的強度和變形能力來保證結構抗震安全性的，結構的抗力與其強度和變形有關，而強度和變形的乘積是衡量結構耗能能力的標誌，但是將地震作用看成能量輸入時，它是一個較穩定的量，主要是與結構的總質量和基本自振周期有關，在傳統設計方法中主要考慮的是安全性，而其它方面的性能卻被忽略了。隨著社會的發展、科技的進步，人們對結構的安全性和穩定性的要求也越來越高，同時，隨著精密儀器、儀錶技術和微電子技術的發展，對環境振動的隔離提出了越來越多的要求。因此，傳統的設計方法必須進行改進，大力發展應用已成熟的隔震技術是非常必要的。

建築物的地震反應取決於自振周期和阻尼特性兩個因素。基礎隔震的原理就是通過設置隔震裝置系統形成隔震層，延長結構的周期，適當增加結構的阻尼，使結構的加速度反應大大減小，同時使結構的位移集中於隔震層，上部結構象剛體一樣，自身位移很小，結構基本上處於彈性狀態，從而使建築物不產生破壞或倒塌。因此，隔震層必須滿足①承載特性、②隔震特性、③複位特性、④阻尼消能特性。

隔震系統一般由隔震器、阻尼器、地基微振動與風反應控制裝置等部分組成。

隔震器的主要作用：一方面在豎向支承建築物質量，另一方面在水平向具有彈性，能提供一定的水平剛度，延長建築物的基本周期，以避開地震動的卓越周期，降低建築物的地震反應；阻尼器的主要作用是吸收或耗散地震能量，抑制結構產生大的位移反應，同時在地震終了時幫助隔震器迅速複位；地基微震動與風反應控制裝置的主要作用是增加隔震系統的初期剛度，使建築物在風荷載或輕微地震作用下保持穩定。

基於可動概念的基礎隔震方法，大致可分為彈性支承式隔震、滑動式隔震、擺動式隔震以及懸吊式隔震四大類。其中，彈性支承式隔震主要有疊層橡膠支座和螺旋彈簧支座等作為隔震器；滑動式隔震是在房屋基礎底面或上部結構與基礎之間設置滑移層或滾動層，目前主要的隔震措施有滾子隔震（滾柱隔震和滾珠隔震兩種）和滑動隔震（在上部結構與基礎之間設置帶有滑動摩擦材料的裝置，通過滑動摩擦起隔震消能作用，目前常用的有：摩擦滑板，橡膠墊加摩擦滑板等）；擺動式隔震是將基礎支撐在可擺動的短柱群或樁基上，或將基礎設計成底部成球形的整體，在地震作用下，基礎可產生一定的傾向和擺動，即以低的剛度控制結構的反應，延長自振周期，常用的方法包括懸掛柱底隔震法、雙柱網系統隔震法；懸吊式隔震是將整個結構物懸掛在巨型鋼架或鋼筋混凝土內筒上，地震時，懸掛物和支承協同工作，使地震作用減小。

同時，疊合橡膠支承由於其自身的優點是當前國外研究最深入、應用最廣泛，而且發展較快、比較成熟、前景廣闊的一種隔震方法。無論是建築結構抗震還是機械抗振都有廣泛的應用。

所謂疊合橡膠是指用橡膠片與薄鋼板交互重疊而成。在小變形時剛度較大，可保證建築物的經常性使用功能。大變形時，橡膠剪切剛度下降較多，吸收了地震引起的大部分地震能量，從而大大降低了其上部結構的震動頻率和地震反應。常用的疊合橡膠支承有三類，即：有天然橡膠製成的疊合橡膠支承，高衰減疊合橡膠支承，帶鉛棒的疊合橡膠支撐。

普通的由天然橡膠製成的疊合橡膠支承它只具有彈性性質，本身並無顯著的阻尼性能，因此，它通常總是和阻尼器一起並行使用；帶鉛棒的鉛心疊層橡膠支座是在普通疊層橡膠支座中部豎直地灌入鉛棒。這樣提高了支座的吸收能量的能力，又增加了支座的早期剛度，對控制風發應和抵抗地基的微振動有利。由於它既有隔震作用又有阻尼作用，因此，它可以單獨地在隔震系統中使用，而無須另設阻尼器，使隔震系統的組成變得比較簡單；高阻尼疊層橡膠支座，採用高阻尼橡膠材料製造，它可以克服普通疊層橡膠支座的缺點，也可以單獨使用。

由於夾層橡膠墊的剛度和阻尼性能穩定，理論計算、試驗值與現場實際比值比較吻合，可以通過設計計算，較準確的控制地震時結構的地震反應。因此，我國目前實際使用的隔震結構支承，除摩擦滑移支撐外，大部分為一般疊合橡膠支承。美國、西歐以及日本用的較多的是帶鉛棒的疊合橡膠支承，簡稱lrb。作為lrb的阻尼器是通過疊合橡膠體中鉛棒的塑性變形吸收能量來形成的，鉛具有良好的變形能力，從小變形至大變形均顯示出穩定的力學性能。因此，從小變形直到大變形，lrb均可得到較大的阻尼比。小變形時也可產生較大抵抗力的這種性質，對風力的制動機能是有用的，但對於小地震時的變形範圍來說，由於等效剛度大，與大地震時相比變成了短周期，從而導致可能出現隔震性能降低的情況。因此，日本目前又開發出新的一代隔震支承——LRB-SP,其特點是將鉛棒的上下部分直徑做成比中間部分小，呈分段圓柱形，中間部分的鉛棒與疊合橡膠緊密接觸，上、下小直徑部分鉛棒通過橡膠襯套與疊合橡膠接觸，當發生中、小變形時，鉛棒上、下段產生彎曲和剪切的複合變形，抗力較小；而大變形時，剪切變形起支配作用，與一般的LRB裝置具有同樣的特性。

基礎隔震的同時，我們還必須注意對一些特殊的結構進行局部隔震——層間樓板隔震，它通常在設置精密儀器或計算機的樓層的樓板上再放置一層樓板，形成雙樓板層，兩層樓板間有一定的空間，形成自由通路層，以提供空調的冷風用空間和電纜配線空間，便於維修。但由於僅將上層面板放置在支承腳上，地震時上層面板會發生偏移，機器易傾倒、移動或相互撞擊。因此，需對兩塊樓板間的自由通道層進行加固，並設法減小傳向精密儀器或計算機等的地震能量。

一個有效辦法是將上層面板支承在固定於大梁及小梁的支座上，這些大梁、小梁又支承在疊合橡膠隔震裝置上，每8m^2~~16m^2設置一台隔震裝置,它實際上包括疊合橡膠支承和一組彈簧阻尼器－豎向螺旋彈簧和豎向阻尼器，以便減小上、下振動。四周設有相互垂直的4個水平彈簧，用於控制面板能回歸原來位置。每台隔震裝置均置於固定在結構樓板的滑板（鋼板）上，通過裝置底板與滑板間的摩擦來吸收地震能量，減小機器的水平振動。為避免上層面板與建築物柱及牆的衝撞，在它們之間留出間隙，間隙尺寸以計算面板可能產生的相對位移大小來確定。

儘管隔震結構至今已做到十幾層的高度，但總的來說，在Ⅳ類場地土上採用隔震結構宜慎重，因為長周期地震動對隔震建築將會帶來不利的影響。同時，隔震的考慮方法不易用於高度過高的和從外觀看過於細長的建築物。因為在這種情況下會導致建築物產生過大的傾覆彎矩。這時，採用在上部結構上設置各種阻尼器或調頻機構等減震措施，對於耗散地震能量，減少結構地震反應是比較合適的。所以，不同的結構，及不同的環境和要求，須有不同隔震設計方案，同時還需要和別的減震方案同時使用。

結構地震反應控制的方法很多，按技術方法可分為隔震技術、消能減震技術、質量調諧技術、主動（半主動）減震控制技術、混合減震控制技術；按是否有外部能源輸入可分為被動控制（passivecontrol）、主動控制（ActciveControl）、半主動控制（Semiactivecontrol）、混合控制（Hybridcontrol）；按與結構頻率相關性可分為頻率相關控制和頻率無相關控制。

被動控制是無外加能源的控制，指考慮地震動的一般特性，為隔離或減少（或消耗）輸入結構內的地震能量，事先在結構內某部位安裝經過調整的彈簧、阻尼器等裝置，使結構難以發生共振並減少主體結構地震反應的一種控制方法。從控制機理上講，被動控制有三條基本途徑：一是通過在結構的特定部位設置隔震裝置來阻斷建築結構的能量輸入，直接達到減震控制的目的，通常稱之為隔震；二是通過附加在結構上的一些耗能器，如全金屬屈服阻尼器、粘彈性阻尼器、流體阻尼器來耗散地震能量達到減震的目的，通常稱為消能減震。此時，建築物結構在進入塑性變形前阻尼器先發生屈服，以耗散大部分地面運動傳遞給結構的能量；第三條途徑是通過振動模態間的相互傳遞（如可調質量阻尼器等），通常稱之為質量調諧減震。然後，通過振動模態間的相互轉換，將建築結構的主振動轉移到附加系統中去。被動控制效果有限，控制精度差且控制頻寬較窄，但結構簡單，便於應用。

主動控制是一種現代控制方法，是有外加能源的控制，指結構受到地震干擾在震動過程中，通過自動控制系統，瞬間改變結構的剛度、阻尼或質量，或者施加控制力以衰減結構的地震反應，具有較高的控制有效性，同時也可以有針對性地將主動控制力施加於結構的關鍵部位。它包括控制力型、可變剛度型、可變剛度阻尼型等。

其中控制力型的主動控制原理的特點在於採用能檢知結構及外部干擾的振動感測器；將感測器獲得的信號作為控制震動的控制信號，從外部施加控制力，以便隨時減小結構的地震反應。它的控制裝置大體上有儀器測量系統（感測器）、控制系統、動力驅動系統等組成。

感測器大致可以通過前饋控制法（如在地基上設置感測器的方法）和後饋控制法（如在結構物內部設置感測器的方法）進行配置。感測器接受到的信息傳送到控制系統，通過計算機的處理，經過迴路變成控制信號後又傳到動力驅動系統，由此借外部能源產生所需控制力加於結構上以減小結構地震反應。前饋控制法是通過感測器感知輸入結構地基的振動，以此調整控制力的，結構的反應並沒有反映在控制中。因此在如下圖所示的開放式迴路中的控制器實際上包含了感測器、控制系統及動力驅動系統。反饋式控制是根據結構反應信息調整控制力，信息循環是：反應—控制－反應，如下圖的封閉式迴路。這種方法無需事先將結構的振動特性確切地反映到控制迴路中，可對結構的非線性性能進行追蹤，對風載荷等上部加振引起結構搖晃的控制也有效，具有通用性。此外還可以考慮以上兩種控制方法，即如下圖所示的開閉式迴路，根據外干擾和結構反應的綜合信息來調整控制力。

主動控制在航天航空、電子以及機械工程中已有廣泛的使用。但在建築結構方面真正進行系統研究並應用於高層建築還是1990年前後的事。但主動控制方法無疑是一種比較理想的方法，它對於提高抵抗地面運動不確定性的能力，直接減小輸入的干擾力，以及在地震發生時連續自動的調整結構動力特性的功能等方面均優於被動控制方法。因此，主動控制具有很廣的使用範圍，控制效果很好，但控制系統複雜，造價昂貴，所需的巨大能源在強烈地震時無法完全保證。因此，基於目前的發展情況，在地震高烈度區用於高層建築的結構抗震隔震不太適合，但是對於一些對環境振動要求比較高的設施、放置精密儀器的房間，採用此方法對建築物局部隔震比較適用，它可使結構地震反應大大降低（約50％～70％），且基本上不受強震地面運動的影響。隨著建築結構向高、長、大方向發展，勢必對振動控制提出更高的要求，而一般的被動控制裝置難以完全勝任，因此，隨著技術和經濟的發展，適用範圍廣、控制振動效果好的主動控制技術前景自然最為廣闊。

混合控制則是將被動控制和主動控制同時施加在同一結構上的結構振動控制形式。從其組合方式來看，可分為：主從組合方式和並列組合方式。典型的混合控制裝置有：AMD（主動調諧質量阻尼器）與TMD(調諧質量阻尼器)相結合、AMD與TLD（調諧液體阻尼器）相結合、主動控制與基礎隔震相結合、主動控制與耗能減震相結合、液壓－質量振動控制系統（HMS）與AMD相結合等。只要合理選取控制技術的優化組合，吸取各控制技術的優點，避免其缺點，可形成較為成熟而先進有效的組合控制技術，但其本質上仍是一種完全主動控制技術，仍需外界輸入較多的能量。

半主動控制以被動控制為主，只是應用少量能量對被動控制系統的工作狀態進行切換，以適應系統對最優狀態的跟蹤，它既有被動控制系統的可靠性，又具有主動控制系統的強適應性，通過一定的控制可以達到主動控制系統的控制效果，是目前一種應用和前景較好的控制技術。

討論

建築物的地震反應取決於自振周期和阻尼特性兩個因素，因此，只要使結構的自振周期遠遠大於地震動的卓越周期，並且想辦法在地震期間，使建築物基礎不發生破壞，結構上部在地震期間的位移大幅降低，從而達到國家規定的抗震設防目的：小震不壞，中震可修，大震不倒，甚至大震不壞的目的。

結構的自振周期，因此要調整結構的自振周期，可以改變結構基礎的剛度和質量來實現。同時可以添加阻尼器耗能器來消耗地震的傳輸能量，加隔震層來防止結構上部產生過大的位移。

目前的隔震設備除了橡膠隔震支座外還有很多種可供選擇，譬如，空氣彈簧隔震支座等。空氣彈簧隔震支座是一種具有可調非線性靜、動態剛度及阻尼特性的隔震元件，有其組成的隔震系統的固有頻率在荷載變化時幾乎不變，且該系統具有自動避開共振，從而抑制共振振幅的特性。特別是空氣彈簧隔震系統容易實施主動控制，使用逐漸廣泛。但由於經常要給空氣彈簧充氣，而且費用較高，在工程上使用受到了很大的限制。

在我國，乃至世界上，很多較好的方法因為技術、材料等很多方面的因素使其在使用上受到限制。現在，隔震理論已發展比較完善，對於常用的隔震技術，對阻尼研究比較可靠有效，會有較大的突破。

針對我國的具體情況，今後應該更多的在材料和技術上加以創新和突破，各種高強度、高阻尼的複合材料應該被廣泛的研發和使用，前途廣闊的各種主動控制方法應該更加完善，使之簡單化，加強其實用性研究。