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11发表于《结构工程师》2005年第三期,Vol.21,No.3,June2005P.75-81浅述各种结构控制技术及其适用性钱国桢1王金昌2楼卓21.杭州天元建筑设计研究院3112002.浙江大学土木系310027摘要：本文简述了各种结构控制技术的分类、原理、问题及其适用条件关键字：结构控制，问题，适用范围1.前言以往在设计工程结构用于抵御地震与风振作用时，一般都采用“抗”的办法，即强化结构构件设计，使其在相应地震与风振时不会发生破坏与倒塌。这种方法存在不少问题：首先，就是地震作用荷载的不确定性，即地震作用的大小、状态、时间、空间等多方面的不确定性，使设计参数无法精确量化，当然会影响实际结果的可信度，因此不少结构虽经正规抗震设计，但其抗震安全性还是不能确保；其次，我们已从很多文献中得知，地震能消耗在结构弹性应变能与动能上仅占很少一部分，因此要靠加大结构尺寸来加大结构能耗是十分不经济的，而且这样会增大结构刚度与重量，使结构地震反应增加，也即输入地震能增加，这样就会使其进入一个恶性循环怪圈，因此达不到经济可靠的效果；再次，我们知道结构设计得柔一点可减小地震反应达到经济的效果，但这样会使结构在风振或地震时变位太大，会造成装修及设备的破坏，并将影响其正常使用。为此工程师们发明了结构控制减震技术。它常常通过改变结构体系某些部位的连接、刚度或质量，来调整其振动特性，或增加阻尼或施加外力，使结构的地震反应大大减少，以此保证结构的安全与正常使用。下面我们就以有无外加能源输入作为分类标准，对各类结构控制技术的原理与适用性作一个简介。2.被动控制技术广义的被动控制技术是专指无外加能源输入的控制技术，它主要有隔振、阻尼耗能、质量调谐（TMD）三种。2.1隔震技术它是在地面与建筑物基底间设置一个滤波层，使地面的大部分有害的地震波都被隔除于建筑外，这样使建筑受地震影响将大大减小，从而保证了安全。以下分别说明一些常用的隔震技术，并指出它们各自的问题与适用性。2.1.1滚珠隔震层它在地基基础与上部结构间，铺设了一层钢滚珠，当地基产生水平振动时，滚珠将产生转动，使地基基础与上部结构基底间产生相对位移，因此无法将振动向结构上部传播，使上部结构避免了受地震影响而保证了安全。但实际上效果并不好。因为：1.由于滚珠在压力下不可能在地震时产生理想的自由转动，所以实际效果将大打折扣；2.隔除垂直振动无能为力；223.它在地震时产生的位移常为不可恢复。由于这些问题，滚珠隔震的做法很难做到实用化。2.1.2滑移隔震层[10]、[11]、[12]、[13]它是在地基基础与上部结构基底间，铺放了一层剪切强度（或摩擦系数）十分低的材料。如：石墨、砂、滑移板等。因此可限制地震作用向上部结构传递，同时在滑移过程中还可通过摩擦耗散地震能，因而可达到隔震减震的效果。由于这种方法技术简易、造价低廉、设计施工方便，而且隔震效果受地面频率特性影响较少，可避免结构产生共振现象，当隔震层处产生位移后，几乎不会影响结构的垂直承载能力，因此引起了人们的广泛兴趣。我国在20世纪80年代后，曾对此进行了一系列研究，并已在辽宁、陕西、山西、云南、四川、北京、湖北、黑龙江等地建造了一大批滑移隔震建筑。在辽宁等省市还编制了地方技术规程。但因为一般建材间最小的摩擦系数常在0.1左右，所以对于7度及其以下的较少的地震仍无减震作用，这样其上部建筑仍需要按7度或低烈度区的规定设防烈度采取抗震措施。因此这种技术较适用于大于7度的高烈度地震区。它也可与其他隔震技术如叠层橡胶隔震垫串联使用，小震时后者起减震作用，大震时滑移层起作用可避免房屋倒塌。目前我国各地对此进行了系列数值研究和模型实验，对滑移隔震的机理作了较深入的分析，并提出了设计计算模型及一系列的设计参数与构造限制措施，如：限制高宽比与长度；保证滑移面的平整度；滑移层上设闭合圈梁；减少上部建筑偏心；用支墩式滑移层代替满铺带状滑移层；增设限位装置以防产生过大滑移；上部仍应按7度要求采取抗震构造措施等等。2.1.3金属弹簧隔震层它是在地基基础与上部结构基底间，设置了很多弹簧，对隔除水平、垂直两个方向的振动都有良好的效果。在机器隔震中常采用这种技术，但工程结构的重量常常是一般机器所无法比拟的。因此在工程中应用将要制造很多受压强度和刚度十分大的弹簧。而且隔震弹簧常设置在地下潮湿的环境中，很难保证它的耐久性，而且不经济。2.1.4叠层橡胶隔震垫[15]它是用一层橡胶一层钢板叠合而成，其中心灌注铅芯。在垂直荷载作用下钢板受拉，橡胶处于三向受压状态。一般将它设置在基础与底层柱间，当地面震动时，因它的水平刚度远小于上部结构，所以变位将集中产生在隔震垫上，而且是可恢复的。上部结构将保持不动或只产生很小的平移。铅芯由于被强迫变形而发热融化产生了阻尼。这样将产生十分良好的综合减震效果。这种技术现在已被多个国家成功地应用于工程隔震技术中。我国已建成采用这种隔震垫的建筑超过1000幢，在杭州就有三幢。2.1.5改性沥青阻尼隔震垫[3]、[14]这是一种专利技术，它中间层为拉力材料，其两面外涂以改性沥青作黏合剂的阻尼材料组成。它受力原理与叠层橡胶隔震垫十分相似，可单层应用，也可叠层应用。因它阻尼比特大，最大可达0.40以上，并具有较高的抗压强度，较低的弹性模量与抗剪强度，因此在小震时可耗散地震能，降低结构自振周期减少地震响应。大震时，沥青因吸收大量地震能而软化呈塑性状，这时它实际上已成为一个滑移隔震层，所以它不但在小震时起减震作用，而且在大震时也可与滑移隔震层一样隔离地震作用，防止建筑倒塌。由此可知，这种隔震技术不但适用于高烈度区，也适用于低烈度区。杭州市已应用该技术建造了两幢试点建筑，实践证明它价格低廉，施工方便，而且采用人工地震响应对比测试与模型实验结果可知，隔震效果是理想的。此项目已取得浙江省科技进步奖。2.1.6隔震技术优缺点与适用性隔震建筑一般都是采取释放建筑基础约束的办法。将固定端处理成铰支（活动铰），使其传递水平剪力与弯矩的能力退化，这样一方面可使水平地震作用无法向上传递，另一方面可使上部结构自振周期延长以减少地震响应，再者还可通过隔震层本身的阻尼吸收地震能，因此确是一种机理直观、有效的建筑隔震技术。但是所有隔震技术其使用皆有限制条件：其33一必须限制高宽比，一般仅限用于十层以下的建筑，且常用于刚性建筑；其二因其对垂直振动的减震能力较差，所以对直下型地震的震中附近的建筑减震效果较差，这时宜采用阻尼器或其他消震、抗震的方法与隔震技术联合使用较妥。以上诸多隔震技术中，叠层橡胶隔震垫在技术上已较成熟，其产品已有国家技术标准，其设计应用方法已编入现行的建筑抗震设计规范，因此一般应用在技术上已无大问题。但它造价较高，而且它为点支承，所以一旦其中一个损坏将影响整个建筑，因此这影响它的推广应用，特别在西部地区与广大农村。其次是滑移隔震技术，由于它简单、廉价，对大震十分有效，可防止建筑倒塌，因此目前在我国一些7度以上的高烈度地区已有较多应用。有的省市还编制了地方规范。这是一种有发展前景的隔震技术，但在7度及其以下烈度区应用时，对上部建筑仍要采取当地设防烈度设防，其优越性较难显示，因此应用较少，而且位移常不可恢复，因此宜加设限位装置。并且，最好是将滑移技术与其他减震技术联合应用，这样即可得到更理想的效果。再次是改性沥青阻尼隔震垫，由上述介绍可知，在小震时它的作用与叠层橡胶隔震垫相当，大震时因改性沥青吸收了地震能发热软化，失去了剪切强度，其作用类似一层滑移层，即相当于滑移隔震技术。这是一种较理想的隔震技术。而且价格低廉（与滑移隔震相当），设计施工技术简单，类似滑移隔震技术。但其隔震机理虽然已经华中理工大学、浙江大学与杭州市抗震办、浙江省工程地震研究所等进行过一系列实验研究，但总的还未达到十分完善的地步，因此建议有关部门与大专院校能对此作进一步系统研究与编制相应的标准与规范。以便广泛应用此种隔震技术。2.2阻尼耗能技术很多文献中[4][5]都阐明过，输入结构的地震能转变为结构的弹性应变能与动能的仅为很少的一部分，另外我们知道钢结构的阻尼比仅为0.02～0.03，R.C结构的阻尼比也只有0.05左右，因此传统结构的阻尼能耗是很小的，为了增大结构的抗震能力，最有效最经济的办法是增大结构的阻尼，因为增加阻尼不但可增加结构能耗总容量，还可减小地震反应。阻尼耗能按耗能材料的耗能机理不同，可分为摩擦耗能、粘滞阻尼耗能、粘弹性阻尼耗能、塑性变形耗能、电磁阻尼耗能等。摩擦阻尼一般假定为与位移相关，粘滞阻尼假定为与速度相关，常规计算时均按后者考虑。其阻尼耗能构件可做成如下多种形式。2.2.1耗能支撑如图2.2.1所示，它可做成方框支撑、交叉支撑，斜杆支撑、V形支撑等。阻尼器阻尼器阻尼器阻尼器a.方框支撑b.交叉支撑c.斜杆支撑d.V形支撑图2.2.1当结构产生层间侧向位移时，其支撑上阻尼器将受力耗能，从而保护了主结构。2.2.2耗能墙它有两种做法，一种做法即将常规的剪力墙内设置了很多缝，可以为竖缝，横缝、斜缝或边缝。在缝内填充了阻尼材料。详见图2.2.21a.竖缝b.横缝c.斜缝d.边缝44图2.2.21还有一种做法为将整片做成一个阻尼器，其外板固定在下层楼板，内板固定在上层楼板，两板间为阻尼材料，构造示意如图2.2.22A阻尼层外板内板A-AA图2.2.22这种阻尼墙具有十分大的阻尼能耗容量，减震效果十分显著。2.2.3耗能节点在结构梁柱节点设置阻尼器，同样也可达到耗能效果，而且不影响建筑的使用空间。它可设置在梁柱交接处或梁的下侧，或桁架的支座腹杆上，纽约前世贸中心大楼共用了一万多个阻尼器，它即设置在楼板桁架下弦节点与柱间。详见图2.2.3所示。阻尼器阻尼器图2.2.32.2.4耗能联结缝在结构抗震缝、温度缝、沉降缝处设置阻尼器，或阻尼材料，既可达到耗能减震作用，又可保留原来缝的功能。阻尼材料阻尼材料阻尼器阻尼器a.c.d.b.图2.2.42.2.5阻尼耗能技术优点、问题与适用性它有下列优点：1）有显著的耗能减震效果。它在减震方面有双重作用，即一方面增大阻尼可减少地震反应而使地震作用减小，另一个方面又可以加大结构能耗容量而使结构减少变形与内力。2）广泛的适用性。它不但可应用于刚性结构，更适用于柔性结构，特别适用于高层结构与桥梁结构，也适用于对旧有建筑结构的抗震加固。而且适用于一切减振设施，如车辆减振，机械设备的减振，飞机船舶减振，家用电器减振以及对噪声源的降噪和建筑物的吸收噪声等等。3）技术实施简单，价格相对低廉。4）技术成熟。不需要外加能源输入，因此减震效果稳定、可靠。推广应用这种阻尼耗能技术的主要问题是它的设计计算的实用化问题与国产产品的批量生产的系列化与标准化。因为目前国内常用的设计计算软件中皆未考虑这种非线性原件的设置，所以一般设计人员常因麻烦而不愿采用。还有国产阻尼器与阻尼材料还未系列化、标准化，因此给选用者造成不便，另外有关的理论问题还不够普及，这些原因造成了它推广的阻力。552.3质量调谐技术（TMD）一般常常将它称为狭义的被动控制技术。它是将一子结构附加在主结构上，两者间的联结刚度、阻尼及两者的质量比可由在某种激励下产生的主结构的响应最小来确定，这样使得主结构在激励下其响应即受到子结构的控制，因而称为被动质量调谐控制。（图2.3）M22CK2K1C11MM11KC1K22MC2驱动器传感器计算器图2.3图3.02.3.1TMD技术的优缺点它具有下列优点：1）它不需外界能源，因而能保证在地震应急时的可靠性。2）一次性装设可永久使用，维修方便投资少，实施方便。3）可应用于地震、风振、海浪减振和机器减振多方面。4）在合理的选用条件下，具有显著减振效果。它具有下列缺点：1）复杂结构，主振型不明显时效果不好，甚至会加大响应。2）多种激励时效果不好。3）子结构要占用空间，增加自重。2.3.2TMD技术的适用性由上可知，它适宜用于主振型清晰的规则结构，最适合用于单自由度的水塔等理论上只有一个主振型的结构。对质量分布均匀、变化规则的多自由度体系的结构，可采用多重子结构TMD技术，即针对一个集中质量M