【摘 要】：傳統(tǒng)的抗震技術(shù)主要依靠提高結(jié)構(gòu)自身的承載能力及變形能力抵抗、消耗地震能量，立足于“抗”，其目標(biāo)是“小震不壞，中震可修，大震不倒”。 減震、隔震的研究，可實現(xiàn)由“抗”到“控”這一減震防災(zāi)觀念的重大轉(zhuǎn)變，更可以發(fā)揮設(shè)計者的主觀能動作用，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼、質(zhì)量分布或?qū)Y(jié)構(gòu)施加外力，可以控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)安全及建筑功能，避免造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

　　【關(guān)鍵詞】：主動控制,被動控制,減震,隔震

　　一、研究起因

　　在目前所知的所有振動中，地震產(chǎn)生的振動從力度、能量來說是最大的，從破壞后果、產(chǎn)生災(zāi)害等方面來說是最嚴(yán)重的。所以工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的目的是減輕結(jié)構(gòu)的地震破壞，避免人員傷亡，減少經(jīng)濟(jì)損失;同時在地震時使逃生、救援等緊急活動得以維持和運行。一般說來，單體結(jié)構(gòu)的工程控制可以歸結(jié)為以結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范為代表的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法和以近年來研究與應(yīng)用的結(jié)構(gòu)減震、隔震技術(shù)為特點的主、被動結(jié)構(gòu)控制理論與方法。后者所述的這種新型結(jié)構(gòu)抗震原理就是通過減震、隔震技術(shù)減少和消弱傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震能，特別是地震力峰值，以減輕結(jié)構(gòu)的破壞，控制地震所帶來的災(zāi)害。

　　二、減震、隔震原理

　　地震引起結(jié)構(gòu)振動的全過程是：由震源產(chǎn)生地震能，通過傳播途徑傳遞到結(jié)構(gòu)上，從而引起結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)。隨著社會的進(jìn)步，對結(jié)構(gòu)提出了比以往更嚴(yán)格的抗震安全性和舒適性要求，而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)消極抗震設(shè)計方法，越來越難以滿足這些要求。為此，各國地震工程學(xué)家一直在努力尋求新的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法，以減震、隔震技術(shù)為特點的結(jié)構(gòu)控制設(shè)計理論與實踐，便是這種努力的結(jié)果。

　　減震是根據(jù)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，通過自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，主動給結(jié)構(gòu)施加控制力，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。從控制理論的觀點看，上述結(jié)構(gòu)減震方法又可分為兩大類：

　　被動控制方法：這種方法無外部能源供給，也稱無源控制技術(shù)，包括隔震技術(shù)和減震技術(shù);

　　主動控制方法：這種方法有外部能源供給，也稱有源控制技術(shù)。

　　隔震是通過某種裝置，將震源與結(jié)構(gòu)隔開，其作用是減弱或改變地震動對結(jié)構(gòu)作用的強(qiáng)度和方式，以此達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。隔震又分為主動隔震與被動隔震：

　　主動隔震是將震源隔離起來，使震源產(chǎn)生的振動局限在一定范圍內(nèi)，隔斷振動傳遞路徑，對其他結(jié)構(gòu)是一種保護(hù)措施。此法適用于只發(fā)生小而位置明確的情況下。

　　被動隔震是通過采用一定的措施或附加于結(jié)構(gòu)、吸收或消耗震源傳遞給主結(jié)構(gòu)的能量，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。

　　減震、隔震這兩種方法的研究和應(yīng)用開始于20世紀(jì)60年代，70年代以來發(fā)展很快。這些積極的結(jié)構(gòu)抗震方法與傳統(tǒng)的消極抗震方法相比，有以下優(yōu)點：

　　1.能大大減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形，保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不被地震破壞，從而減少震后維修費用;

　　2.能大大減小結(jié)構(gòu)所受的地震作用，從而降低結(jié)構(gòu)造價，提高結(jié)構(gòu)抗震的可靠性。此外，隔震方法能夠較為準(zhǔn)確地控制傳到結(jié)構(gòu)上的最大地震力，從而克服了設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)件時難以準(zhǔn)確確定荷載的困難;

　　3.隔震、減震裝置即使震后產(chǎn)生較大的永久變形或損壞，其復(fù)位、更換或維修也要比更換、維修結(jié)構(gòu)構(gòu)件方便、經(jīng)濟(jì);

　　4.用于高技術(shù)精密加工設(shè)備、核工業(yè)設(shè)備等的結(jié)構(gòu)物，只能用隔震、減震的方法滿足其嚴(yán)格的抗震要求。

　　三、減震、隔震在抗震技術(shù)中的研究與應(yīng)用

　　傳統(tǒng)的抗震技術(shù)主要依靠提高結(jié)構(gòu)自身的承載能力及變形能力抵抗、消耗地震能量，立足于“抗”，其目標(biāo)是“小震不壞，中震可修，大震不倒”。但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對建筑物的抗震性能提出了更高的要求：1.承重結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段對于某些重要結(jié)構(gòu)來說是不允許的，例如：紀(jì)念性建筑，裝飾昂貴的建筑以及核電站等;2結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計烈度內(nèi)雖能避免倒塌，但某些在震后救災(zāi)中起重要作用的儀器的破壞和同時造成的次生災(zāi)害將非常嚴(yán)重。現(xiàn)代建筑中計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通訊、電力等對振動變形非常敏感的設(shè)備愈來愈多，使得對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能要求愈來愈高，按傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法，難以滿足;3.主體結(jié)構(gòu)破壞后的修復(fù)工作難以進(jìn)行或者代價非常昂貴。

　　自1972年J.T.P.Yao提出土木工程振動控制的概念開始，經(jīng)過國內(nèi)外研究者的不懈努力，取得了大量成果，結(jié)構(gòu)振動控制現(xiàn)在已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域熱點課題之一。由“抗”到“控”是減震防災(zāi)觀念的重大轉(zhuǎn)變，更可以發(fā)揮設(shè)計者的主觀能動作用，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼、質(zhì)量分布或?qū)Y(jié)構(gòu)施加外力，可以控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)安全及建筑功能，避免造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。按照控制措施是否需要外部能源，振動控制可以分為主動控制、被動控制、混合控制三種。它可以降低結(jié)構(gòu)的重量，改善結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，提高結(jié)構(gòu)承載能力和可靠度，使其具有抵抗各種意外荷載或災(zāi)害荷載的能力。

　　1.主動控制，即在結(jié)構(gòu)受到擾動而振動時，通過控制系統(tǒng)的作用，施加外部荷載，從而降低結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，需要提供穩(wěn)定的外部能源。主動控制具有抗震的廣譜性，目前主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制，在結(jié)構(gòu)的地震控制方面尚處于試驗階段，主要是由于其實現(xiàn)的難度。主動控制需要有復(fù)雜的軟硬件支持，昂貴的控制系統(tǒng)、維護(hù)費用，穩(wěn)定的外部能源和充足的電源儲備，另外其控制的時問滯后也是一個不容忽視的問題。但從發(fā)展的角度來看，隨著建筑向高、大發(fā)展，傳統(tǒng)的抗震設(shè)計、被動控制將很難滿足其抗震要求，主動控制必將成為一種非常重要的抗震手段，尤其對于至關(guān)重要的建筑(如核電站等)來說，因為這類建筑在地震中不允許有一絲損壞，否則將造成不可估量的損失。

　　2.被動控制，考慮地震動的一般特性，為隔離或減少(或消耗)輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，在結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)置可調(diào)整的彈簧、阻尼器等裝置，使結(jié)構(gòu)難以發(fā)生共振并減少主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的一種控制方法。被動控制包括減震和隔震。

　　1)減震：即通過研究結(jié)構(gòu)的振動特性，事先在結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)置各種阻尼器或耗能構(gòu)件，或設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Tamed Mass Dmper，簡稱為 TMD)、調(diào)諧液體阻尼器( TUrned Liquid Dmper簡稱為 TLD)，改變結(jié)構(gòu)的動力性能從而降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。從機(jī)理上講減震可分為消能減震和吸震減震。

　　消能減震：即把結(jié)構(gòu)的某些非承重構(gòu)件(支撐，剪力墻等)設(shè)成消能桿件或在結(jié)構(gòu)的某些部位(結(jié)點，聯(lián)結(jié))安裝阻尼器，在受到風(fēng)荷載或輕微地震動時，這些部位處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)仍然具有足夠的側(cè)向剛度以滿足正常的使用要求，在強(qiáng)地震作用下，隨著結(jié)構(gòu)的變形的增大，這些消能構(gòu)件或阻尼器首先進(jìn)入非彈性變形狀態(tài)，產(chǎn)生較大的阻尼，消耗大量的輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，從而使主體結(jié)構(gòu)避兔進(jìn)入明顯的塑性狀態(tài)并迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震中不被破壞。早在1970年代，美國就曾在紐約世界貿(mào)易中心的塔樓的梁柱節(jié)點處安裝了一萬個夾板粘滯阻尼器，成功地使風(fēng)振衰減。近些年的研究表明，采用阻尼器也可顯著的改善建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。1980年代以來又發(fā)展了干摩擦耗能裝置，也有很好的減震效果。我國曾對摩擦阻尼器進(jìn)行過研究，并且成功地改造過一建筑，有關(guān)研究表明，消能減震可以保護(hù)結(jié)構(gòu)，在大震下免于坍塌，它既可用于新建結(jié)構(gòu)，也可用于震損結(jié)構(gòu)的加固，并且取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　同傳統(tǒng)的依靠結(jié)構(gòu)本身以及節(jié)點的延性耗散地震能量相比，消能減震具有以下的優(yōu)點：把非承重構(gòu)件作為消能構(gòu)件而主體結(jié)構(gòu)基本上處于彈性;震后只需檢修阻尼消能構(gòu)件即可使用;可利用結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件作為消能構(gòu)件，無需專設(shè);可有效地降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

　　吸震減震：在建筑的某部位設(shè)置一個具有質(zhì)量M，剛度K，阻尼C的子結(jié)構(gòu)，使原結(jié)構(gòu)體系的動力性能發(fā)生變化。當(dāng)原結(jié)構(gòu)承受地震沖擊而劇烈運動時，由于子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與原結(jié)構(gòu)兩系統(tǒng)的動力相互作用，使原結(jié)構(gòu)的振動明顯衰減。目前研究比較多的有：TMD，TLD。

　　雖然目前對于TMD，TLD的研究時間不長，但是已取得了重要的研究成果，其有效性己在實際結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中得到了證實。實踐證明TMD系統(tǒng)可以有效的使風(fēng)振衰減的結(jié)論。日本從1980年代至今對被動TMD開展了多方面的研究并且開發(fā)其應(yīng)用，1986年在CHIBA PORT TOWER 125米高上設(shè)置支撐式被動TMD，在1987年12月17日近海地震(5級)中經(jīng)受了考驗，取得了良好的降低位移的效果。進(jìn)入1990年代以來，人們開始將水箱設(shè)計成TLD的振動控制方法吸引了越來越多研究者的興趣，并且迸行了這種體系的實驗和分析研究，研究表明 TLD系統(tǒng)可以有效的衰減結(jié)構(gòu)的風(fēng)振和地震反應(yīng)。

　　TMD和TLD系統(tǒng)目前在實際結(jié)構(gòu)中主要用于風(fēng)振控制，用以減小地震反應(yīng)的則比較少，主要是由于其減震效果主要取決于主次結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比、阻尼比和剛度比，地震的隨機(jī)性很難使系統(tǒng)在各個階段都處于最佳狀態(tài)。

　　2)隔震，按照隔震裝置設(shè)置位置可分為基礎(chǔ)隔震和層間隔震。

　　基礎(chǔ)隔震是指在結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)面之間設(shè)置某些柔性隔震消能裝置使上部結(jié)構(gòu)與固結(jié)于地基中的基礎(chǔ)分離，阻隔地震波向上部結(jié)構(gòu)傳播，延長結(jié)構(gòu)的自振周期避開地震卓越周期，從而大大減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)的一種結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)措施。

　　層間隔震不同于基礎(chǔ)隔震，對隔震元件層上部結(jié)構(gòu)而言，其工作機(jī)理類似于基礎(chǔ)隔震;而對隔震層之下部分來說其作用類似于TMD。

　　隔震裝置的設(shè)置位置通常有：a.將隔震裝置置于基底;b.置于底層上部;c.在建筑的不同結(jié)構(gòu)類型部分之間;d.置于橋梁墩頂或其他結(jié)構(gòu)的柱頂;e.置于水箱或其它設(shè)備底。

　　隔震裝置必須具有以下特性：a.能夠支撐建筑物的全部重量;b.能使建筑物在基礎(chǔ)面上柔性滑動，使得結(jié)構(gòu)的自振周期大大加長，遠(yuǎn)離地震卓越周期，從而能把地面振動隔開，有效的降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng);c.當(dāng)結(jié)構(gòu)受到輕微的地震作用或風(fēng)荷載時，隔震裝置有足夠的初始剛度滿足正常的使用要求：d.由阻尼器來消耗部分地震能量，使隔震裝置變形不致過大，提高其工作的安全性及可靠性，并且降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)：e.良好的恢復(fù)力，震后有能力恢復(fù)到原先位置。

　　到目前為止，經(jīng)過抗震工作者的努力，已開發(fā)出實用的隔震裝置有：GAPEC系統(tǒng)、新西蘭系統(tǒng)、D.E.F系統(tǒng)、MAPRA系統(tǒng)。另外還有用RB(疊層橡膠支座，Rubber Bearing，簡稱為RB)和彈塑性阻尼器配合使用的隔震系統(tǒng)、高阻尼疊層橡膠支座、彈簧隔震器和粘性阻尼器等。這些隔震器被廣泛的應(yīng)用于橋梁、房屋建筑、核電站，研究表明，隔震可以有效地降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。其中新西蘭系統(tǒng)(鉛芯疊層橡膠支座，Lead Rubber Bearing，簡稱為LRB)由于將阻尼器和隔震元件組合為一體，施工方便易于實現(xiàn)并且節(jié)省空間，應(yīng)用尤為廣泛。我國隔震建筑大部分采用疊層橡膠支座。

　　現(xiàn)在，隔震已經(jīng)由理論和試驗研究、方案設(shè)計、結(jié)合實際工程進(jìn)行分析研究向試點工程和應(yīng)用發(fā)展。隔震作為一種新型有效的抗震手段得到了國際地震工程界的極大重視。新西蘭是世界上第一個在結(jié)構(gòu)規(guī)范中正式寫入結(jié)構(gòu)隔震條文的國家;美國加州地震工程研究中心對疊層橡膠支座體系進(jìn)行了大量的研究和試驗取得了多項研究成果，并且制定了“結(jié)構(gòu)隔震規(guī)程”;日本在隔震技術(shù)方面也進(jìn)行了大量的研究，并且興建了大批的隔震建筑。

　　運用隔震技術(shù)的建筑己經(jīng)經(jīng)受了實際地震的考驗。1994年在美國圣費南爾多發(fā)主的洛杉磯地震，震級為里氏6.7級直下型地震，死亡56人，超過7300人受傷，損失很大。在這次地震中，震中附近有兩座醫(yī)院，一座為抗震結(jié)構(gòu)(USC University醫(yī)院)，另一座為隔震結(jié)構(gòu)(OliVe View醫(yī)院)。隔震結(jié)構(gòu)在這次地震及其后的余震中，最大地面加速度為0.49g，最大樓頂加速度為0.21g，建筑物內(nèi)部的各種機(jī)器等均未損壞，醫(yī)院功能得以維持，成為防災(zāi)中心，起到十分重要的作用。而另一座抗震結(jié)構(gòu)，由于建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，機(jī)器等翻轉(zhuǎn)，并且水管破裂，建筑物無法使用，完全喪失了醫(yī)院的功能。1995年日本兵庫縣南部發(fā)生地震，該地震為直下型地震，震級為里氏7.2級。在這次地震中，位于震源東北35km的松村組技術(shù)研究所研究大樓(3層RC結(jié)構(gòu)隔震建筑)和鄰近的管理大樓(3層S結(jié)構(gòu)抗震建筑)，得到了地震觀測紀(jì)錄。從研究大樓的觀測數(shù)據(jù)看，東西向地面最大加速度為265gal，隔震建筑屋面最大加速度為273gal，一層最大加速度為253gal，而抗震建筑屋面最大加速度為677gal;南北向地面最大加速度為272gal，隔震建筑屋面最大加速度為198gal，一層最大加速度為148gal，而抗震建筑屋面最大加速度為965gal。可見研究大樓一層的加速度值比基礎(chǔ)小，隔震效果得到發(fā)揮，而鄰近的管理大樓，其屋面加速度比研究大樓大2-5倍。因此隔震技術(shù)尤其適用于對于震后救災(zāi)、恢復(fù)主產(chǎn)具有重要作用的建筑，如：政府、警察局、電力、通訊、醫(yī)院等建筑，也適用于博物館、計算機(jī)中心等內(nèi)部價值很高的建筑，以及建筑物本身價值很高的古建筑等。當(dāng)前隔震技術(shù)在國際抗震學(xué)術(shù)和工程界得到了極大的重視，各個國家紛紛開展了關(guān)于隔震的研究，并推廣這一技術(shù)建造了相當(dāng)數(shù)量的隔震建筑。

　　四、結(jié)語

　　減震、隔震結(jié)構(gòu)同傳統(tǒng)的抗震體系相比具有以下優(yōu)點：明顯有效地減輕了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng);在遭遇強(qiáng)地震時，上部結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作狀態(tài)，保證了建筑功能的實現(xiàn)，這對于重要的抗震救災(zāi)部門來說是非常關(guān)鍵的;抗震措施簡單明了，震后修復(fù)方便。對減震、隔震的進(jìn)一步研究不僅具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也具有巨大的社會效益。

　　當(dāng)然，減震、隔震也具有其局限性，如：對于自振周期T

　　目前對于層間隔震的研究比較少，我國學(xué)者曾對應(yīng)用LRB對房屋加層改造進(jìn)行了研究，研究表明，利用層間隔震可以有效地降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。由于層間隔震適用的特殊性，所以在將來的增層改造中將具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

　　總而言之，結(jié)構(gòu)減振、隔震技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)抗震方法，在過去的幾十年中，這種技術(shù)不僅在新建工程中獲得了應(yīng)用，而且在既有建筑的抗震加固與震后修復(fù)中獲得了發(fā)展。某些采用減震、隔震技術(shù)的工程已受到了地震的檢驗，取得了令人滿意的效果。結(jié)構(gòu)減振、隔震技術(shù)將結(jié)構(gòu)的“強(qiáng)化”抗震轉(zhuǎn)變?yōu)閭€別部位的“弱化”消震，將結(jié)構(gòu)的被動抗震轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訙p震與隔震，克服了目前工程抗震中的盲目性與被動性。可以預(yù)言，結(jié)構(gòu)減震、隔震技術(shù)將成為21世紀(jì)減震防災(zāi)的重要手段和方法，其在實際工程中，特別在高層建筑中具有廣泛的應(yīng)用前景。