隔震技术的过去、现状及未来发展方向


中国地震局地震研究所

摘要：

    传统的抗震设计方法是考虑结构的延性来耗散地震能量。但问题在于它是用结构承重构件本身来抵御地震，为了经济起见往往使承重构件在塑性阶段工作。这样受到一次强烈地震时，结构构件在利用它的延性和自身变形能力耗散地震能量的同时，自身机构也受到了破坏。为解决这个问题，在结构上附加各种耗能阻尼器，以吸收地震能量，减小结构地震反应，从而促进了工程减震技术的迅速发展。现在，以改变结构频率为主的隔震技术是结构抗震控制技术中研究和应用最多、最成熟的技术。 

关键词：抗震设计、隔震技术、耗能阻尼器、地震反应 

 

引  言 


    隔震主要是指在建筑结构地面以下部分设置隔震装置（或机构），以减弱地震动输入给地面以上结构的能量，减小结构振动而采取的一种结构抗震技术措施。 

   隔震的概念由来已久，早在我国古代人们已经懂得用蒸熟的糯米和石灰混合，利用具有柔性和衰减性能的糯米层对地震能量的吸收能力，对一些重要的建筑物基础进行处理，从而起到了隔震效果。在日本，人们也早已懂得利用增加强度和阻尼控制结构反应对结构物进行减震隔震处理，譬如，在7世纪和8世纪建成的法隆寺五重塔，就是该塔上部吊有象电线竿那样的长木竿，竿的自重对五重塔起到了预压力作用，提高了塔的抗弯能力，竿的下部置于比竿直径还大的圆筒形洞内，地震时五重塔振动的一部分能量被竿的振动所转移，竿犹如振子振动碰撞洞壁，使能量耗散（这种方法与近代许多控制系统所采用的原理一致）。 

 

隔震原理与技术发展 

   工程结构在地震作用下会产生振动，过大的结构振动现象不仅会影响到结构物的正常使用，还会造成主体结构的破坏、甚至倒塌。有的虽然主体结构未破坏，但由于建筑饰面、装修或非结构配件、室内昂贵仪器、设备的破坏而导致严重的损失。传统的抗震设计都是通过提高结构构件的强度和变形能力来保证结构抗震安全性的，结构的抗力与其强度和变形有关，而强度和变形的乘积是衡量结构耗能能力的标志，但是将地震作用看成能量输入时，它是一个较稳定的量，主要是与结构的总质量和基本自振周期有关，在传统设计方法中主要考虑的是安全性，而其它方面的性能却被忽略了。随着社会的发展、科技的进步，人们对结构的安全性和稳定性的要求也越来越高，同时，随着精密仪器、仪表技术和微电子技术的发展，对环境振动的隔离提出了越来越多的要求。因此，传统的设计方法必须进行改进，大力发展应用已成熟的隔震技术是非常必要的。 

 

    建筑物的地震反应取决于自振周期和阻尼特性两个因素。基础隔震的原理就是通过 设置隔震装置系统形成隔震层，延长结构的周期，适当增加结构的阻尼，使结构的加速度反应大大减小，同时使结构的位移集中于隔震层，上部结构象刚体一样，自身位移很小，结构基本上处于弹性状态，从而使建筑物不产生破坏或倒塌。因此，隔震层必须满足①承载特性、②隔震特性、③复位特性、④阻尼消能特性。 

隔震系统一般由隔震器、阻尼器、地基微振动与风反应控制装置等部分组成。 

    隔震器的主要作用：一方面在竖向支承建筑物质量，另一方面在水平向具有弹性，能提供一定的水平刚度，延长建筑物的基本周期，以避开地震动的卓越周期，降低建筑物的地震反应；阻尼器的主要作用是吸收或耗散地震能量，抑制结构产生大的位移反应，同时在地震终了时帮助隔震器迅速复位；地基微震动与风反应控制装置的主要作用是增加隔震系统的初期刚度，使建筑物在风荷载或轻微地震作用下保持稳定。 

    基于可动概念的基础隔震方法，大致可分为弹性支承式隔震、滑动式隔震、摆动式隔震以及悬吊式隔震四大类。其中，弹性支承式隔震主要有叠层橡胶支座和螺旋弹簧支座等作为隔震器；滑动式隔震是在房屋基础底面或上部结构与基础之间设置滑移层或滚动层，目前主要的隔震措施有滚子隔震（滚柱隔震和滚珠隔震两种）和滑动隔震（在上部结构与基础之间设置带有滑动摩擦材料的装置，通过滑动摩擦起隔震消能作用，目前常用的有：摩擦滑板，橡胶垫加摩擦滑板等）；摆动式隔震是将基础支撑在可摆动的短柱群或桩基上，或将基础设计成底部成球形的整体，在地震作用下，基础可产生一定的倾向和摆动，即以低的刚度控制结构的反应，延长自振周期，常用的方法包括悬挂柱底隔震法、双柱网系统隔震法；悬吊式隔震是将整个结构物悬挂在巨型钢架或钢筋混凝土内筒上，地震时，悬挂物和支承协同工作，使地震作用减小。 

 

    同时，叠合橡胶支承由于其自身的优点是当前国外研究最深入、应用最广泛，而且发展较快、比较成熟、前景广阔的一种隔震方法。无论是建筑结构抗震还是机械抗振都有广泛的应用。 

所谓叠合橡胶是指用橡胶片与薄钢板交互重叠而成。在小变形时刚度较大，可保证建筑物的经常性使用功能。大变形时，橡胶剪切刚度下降较多，吸收了地震引起的大部分地震能量，从而大大降低了其上部结构的震动频率和地震反应。常用的叠合橡胶支承有三类，即：有天然橡胶制成的叠合橡胶支承，高衰减叠合橡胶支承，带铅棒的叠合橡胶支撑。 

    普通的由天然橡胶制成的叠合橡胶支承它只具有弹性性质，本身并无显著的阻尼性能，因此，它通常总是和阻尼器一起并行使用；带铅棒的铅心叠层橡胶支座是在普通叠层橡胶支座中部竖直地灌入铅棒。这样提高了支座的吸收能量的能力，又增加了支座的早期刚度，对控制风发应和抵抗地基的微振动有利。由于它既有隔震作用又有阻尼作用，因此，它可以单独地在隔震系统中使用，而无须另设阻尼器，使隔震系统的组成变得比较简单；高阻尼叠层橡胶支座，采用高阻尼橡胶材料制造，它可以克服普通叠层橡胶支座的缺点，也可以单独使用。 

    由于夹层橡胶垫的刚度和阻尼性能稳定，理论计算、试验值与现场实际比值比较吻合，可以通过设计计算，较准确的控制地震时结构的地震反应。因此，我国目前实际使用的隔震结构支承，除摩擦滑移支撑外，大部分为一般叠合橡胶支承。美国、西欧以及日本用的较多的是带铅棒的叠合橡胶支承，简称lrb。作为lrb的阻尼器是通过叠合橡胶体中铅棒的塑性变形吸收能量来形成的，铅具有良好的变形能力，从小变形至大变形均显示出稳定的力学性能。因此，从小变形直到大变形，lrb均可得到较大的阻尼比。小变形时也可产生较大抵抗力的这种性质，对风力的制动机能是有用的，但对于小地震时的变形范围来说，由于等效刚度大，与大地震时相比变成了短周期，从而导致可能出现隔震性能降低的情况。因此，日本目前又开发出新的一代隔震支承——LRB-SP,其特点是将铅棒的上下部分直径做成比中间部分小，呈分段圆柱形，中间部分的铅棒与叠合橡胶紧密接触，上、下小直径部分铅棒通过橡胶衬套与叠合橡胶接触，当发生中、小变形时，铅棒上、下段产生弯曲和剪切的复合变形，抗力较小；而大变形时，剪切变形起支配作用，与一般的LRB装置具有同样的特性。 

 

    基础隔震的同时，我们还必须注意对一些特殊的结构进行局部隔震——层间楼板隔震，它通常在设置精密仪器或计算机的楼层的楼板上再放置一层楼板，形成双楼板层，两层楼板间有一定的空间，形成自由通路层，以提供空调的冷风用空间和电缆配线空间，便于维修。但由于仅将上层面板放置在支承脚上，地震时上层面板会发生偏移，机器易倾倒、移动或相互撞击。因此，需对两块楼板间的自由通道层进行加固，并设法减小传向精密仪器或计算机等的地震能量。 

    一个有效办法是将上层面板支承在固定于大梁及小梁的支座上，这些大梁、小梁又支承在叠合橡胶隔震装置上，每8m^2~~16m^2设置一台隔震装置,它实际上包括叠合橡胶支承和一组弹簧阻尼器－竖向螺旋弹簧和竖向阻尼器，以便减小上、下振动。四周设有相互垂直的4个水平弹簧，用于控制面板能回归原来位置。每台隔震装置均置于固定在结构楼板的滑板（钢板）上，通过装置底板与滑板间的摩擦来吸收地震能量，减小机器的水平振动。为避免上层面板与建筑物柱及墙的冲撞，在它们之间留出间隙，间隙尺寸以计算面板可能产生的相对位移大小来确定。 

    尽管隔震结构至今已做到十几层的高度，但总的来说，在Ⅳ类场地土上采用隔震结构宜慎重，因为长周期地震动对隔震建筑将会带来不利的影响。同时，隔震的考虑方法不易用于高度过高的和从外观看过于细长的建筑物。因为在这种情况下会导致建筑物产生过大的倾覆弯矩。这时，采用在上部结构上设置各种阻尼器或调频机构等减震措施，对于耗散地震能量，减少结构地震反应是比较合适的。所以，不同的结构，及不同的环境和要求，须有不同隔震设计方案，同时还需要和别的减震方案同时使用。 

 

    结构地震反应控制的方法很多，按技术方法可分为隔震技术、消能减震技术、质量调谐技术、主动（半主动）减震控制技术、混合减震控制技术；按是否有外部能源输入可分为被动控制 （passive control）、主动控制（Actcive Control）、半主动控制（Semi active control）、混合控制（Hybrid control）；按与结构频率相关性可分为频率相关控制和频率无相关控制。 

    被动控制是无外加能源的控制，指考虑地震动的一般特性，为隔离或减少（或消耗）输入结构内的地震能量，事先在结构内某部位安装经过调整的弹簧、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。从控制机理上讲，被动控制有三条基本途径：一是通过在结构的特定部位设置隔震装置来阻断建筑结构的能量输入，直接达到减震控制的目的，通常称之为隔震；二是通过附加在结构上的一些耗能器，如全金属屈服阻尼器、粘弹性阻尼器、流体阻尼器来耗散地震能量达到减震的目的，通常称为消能减震。此时，建筑物结构在进入塑性变形前阻尼器先发生屈服，以耗散大部分地面运动传递给结构的能量；第三条途径是通过振动模态间的相互传递（如可调质量阻尼器等），通常称之为质量调谐减震。然后，通过振动模态间的相互转换，将建筑结构的主振动转移到附加系统中去。被动控制效果有限，控制精度差且控制频宽较窄，但结构简单，便于应用。 

    主动控制是一种现代控制方法，是有外加能源的控制，指结构受到地震干扰在震动过程中，通过自动控制系统，瞬间改变结构的刚度、阻尼或质量，或者施加控制力以衰减结构的地震反应，具有较高的控制有效性，同时也可以有针对性地将主动控制力施加于结构的关键部位。它包括控制力型、可变刚度型、可变刚度阻尼型等。 

    其中控制力型的主动控制原理的特点在于采用能检知结构及外部干扰的振动传感器；将传感器获得的信号作为控制震动的控制信号，从外部施加控制力，以便随时减小结构的地震反应。它的控制装置大体上有仪器测量系统（传感器）、控制系统、动力驱动系统等组成。

 

 

    传感器大致可以通过前馈控制法（如在地基上设置传感器的方法）和后馈控制法（如在结构物内部设置传感器的方法）进行配置。传感器接受到的信息传送到控制系统，通过计算机的处理，经过回路变成控制信号后又传到动力驱动系统，由此借外部能源产生所需控制力加于结构上以减小结构地震反应。前馈控制法是通过传感器感知输入结构地基的振动，以此调整控制力的，结构的反应并没有反映在控制中。因此在如下图所示的开放式回路中的控制器实际上包含了传感器、控制系统及动力驱动系统。反馈式控制是根据结构反应信息调整控制力，信息循环是：反应—控制－反应，如下图的封闭式回路。这种方法无需事先将结构的振动特性确切地反映到控制回路中，可对结构的非线性性能进行追踪，对风载荷等上部加振引起结构摇晃的控制也有效，具有通用性。此外还可以考虑以上两种控制方法，即如下图所示的开闭式回路，根据外干扰和结构反应的综合信息来调整控制力。  

    主动控制在航天航空、电子以及机械工程中已有广泛的使用。但在建筑结构方面真正进行系统研究并应用于高层建筑还是1990年前后的事。但主动控制方法无疑是一种比较理想的方法，它对于提高抵抗地面运动不确定性的能力，直接减小输入的干扰力，以及在地震发生时连续自动的调整结构动力特性的功能等方面均优于被动控制方法。因此，主动控制具有很广的使用范围，控制效果很好，但控制系统复杂，造价昂贵，所需的巨大能源在强烈地震时无法完全保证。因此，基于目前的发展情况，在地震高烈度区用于高层建筑的结构抗震隔震不太适合，但是对于一些对环境振动要求比较高的设施、放置精密仪器的房间，采用此方法对建筑物局部隔震比较适用，它可使结构地震反应大大降低（约50％～70％），且基本上不受强震地面运动的影响。随着建筑结构向高、长、大方向发展，势必对振动控制提出更高的要求，而一般的被动控制装置难以完全胜任，因此，随着技术和经济的发展，适用范围广、控制振动效果好的主动控制技术前景自然最为广阔。  混合控制则是将被动控制和主动控制同时施加在同一结构上的结构振动控制形式。从其组合方式来看，可分为：主从组合方式和并列组合方式。典型的混合控制装置有：AMD（主动调谐质量阻尼器）与TMD(调谐质量阻尼器)相结合、AMD与TLD（调谐液体阻尼器）相结合、主动控制与基础隔震相结合、主动控制与耗能减震相结合、液压－质量振动控制系统（HMS）与AMD相结合等。只要合理选取控制技术的优化组合，吸取各控制技术的优点，避免其缺点，可形成较为成熟而先进有效的组合控制技术，但其本质上仍是一种完全主动控制技术，仍需外界输入较多的能量。 

    半主动控制以被动控制为主，只是应用少量能量对被动控制系统的工作状态进行切换，以适应系统对最优状态的跟踪，它既有被动控制系统的可靠性，又具有主动控制系统的强适应性，通过一定的控制可以达到主动控制系统的控制效果，是目前一种应用和前景较好的控制技术。 

 

讨论 

    建筑物的地震反应取决于自振周期和阻尼特性两个因素，因此，只要使结构的自振周期远远大于地震动的卓越周期，并且想办法在地震期间，使建筑物基础不发生破坏，结构上部在地震期间的位移大幅降低，从而达到国家规定的抗震设防目的：小震不坏，中震可修，大震不倒，甚至大震不坏的目的。 

    结构的自振周期，因此要调整结构的自振周期，可以改变结构基础的刚度和质量来实现。同时可以添加阻尼器耗能器来消耗地震的传输能量，加隔震层来防止结构上部产生过大的位移。 

    目前的隔震设备除了橡胶隔震支座外还有很多种可供选择，譬如，空气弹簧隔震支座等。空气弹簧隔震支座是一种具有可调非线性静、动态刚度及阻尼特性的隔震元件，有其组成的隔震系统的固有频率在荷载变化时几乎不变，且该系统具有自动避开共振，从而抑制共振振幅的特性。特别是空气弹簧隔震系统容易实施主动控制，使用逐渐广泛。但由于经常要给空气弹簧充气，而且费用较高，在工程上使用受到了很大的限制。 

    在我国，乃至世界上，很多较好的方法因为技术、材料等很多方面的因素使其在使用上受到限制。现在，隔震理论已发展比较完善，对于常用的隔震技术，对阻尼研究比较可靠有效，会有较大的突破。 

    针对我国的具体情况，今后应该更多的在材料和技术上加以创新和突破，各种高强度、高阻尼的复合材料应该被广泛的研发和使用，前途广阔的各种主动控制方法应该更加完善，使之简单化，加强其实用性研究。