减震技术在建筑工程中的相关研究探讨

文／刘长卿、张师铎 华商国际工程有限公司 北京 100069

引言：

地震作为一种破坏性巨大的自然灾害，给建筑结构带来的挑战不可轻视。目前我国抗震设计规范以“大震不倒，中震可修，小震不坏”为抗震设计原则，以保护结构不遭到毁坏和保护生命安全为主要目标。通常的建筑结构设计采用的是抗震设计方法，在地震发生时我们允许结构构件进入弹塑性状态，通过延性变形消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物裂而不倒。但这一方法存在一定的局限性，首先对于很多重要的结构物，包括核电站、博物馆等在地震作用下进入非弹性阶段是不容许的，其次为了抗震的需要，结构构件的尺寸及配筋会相应增大，造成成本极具提高。并且，在强震下，虽然结构不倒，但已经遭受严重破坏，破坏程度难以控制。

建筑减震控制技术是在结构构件之间或结构物与基础之间设置耗能装置，利用其耗能特性，减少振动能量对结构的影响[1]。在这一背景下，结构减震技术的引入成为应对地震挑战的一项重要策略。减震技术作为一种前瞻性的解决方案，为建筑工程领域注入了新的思路和活力。通过减震技术的应用，建筑结构可以更为灵活地应对地震引发的挑战，为未来地震灾害提供更为可靠的保护措施。因此，加强对减震技术的研究和实践应用，不仅是建筑工程的必然趋势，也是社会对自身安全的一项必要举措。

1.建筑减震技术的原理及类型

减震技术的原理是将建筑物构件之间采用减震器连接，使建筑物的振动转化成能量损失而非破坏[2]。这一领域的关键原理在于通过系统性的方法改变建筑结构对地震力的响应，以降低地震带来的破坏。这一理念在多个层面上展现出对结构工程的创新性思考。

传统的抗震设计方法是基于承载能力的设计方法，实质上就是“以刚克刚”的设计方法，这种方法不能考虑结构在弹塑性地震表现，有着明显的设计缺点。我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）3.5.3 条中建议在进行建筑结构的设计时宜采用多道抗震防线，国内的建筑行业研究人员还依此提出了根据“耗能减震”的思想进行结构设计，以减小结构在地震下承受的地震荷载作用。耗能减震技术是一种新型的抗震思想，其核心设计思想是减震控制，即在结构的一些抗震能力弱的部位，设置特定的耗能构件或耗能器，耗能减震装置会分担一部分结构的地震能量，并将这部分能量通过耗能装置的特性耗散或被转换为其它形式的能量，根据分担地震能量的方法使得原结构承受的地震作用显著减小，从而减轻了结构构件在地震作用下的破坏程度，以此达到了控制结构地震反应的目的。

现阶段工程上使用的阻尼减震装置种类繁多，优缺点各异，根据应用于结构的部位不同，可以将其分为以下几类：

（1）BRB 防屈曲约束支撑

BRB 防屈曲约束支撑是一种新型的滞回耗能支撑。其与普通支撑的区别在于：普通支撑存在受压屈曲的问题，而屈曲约束支撑在受拉和受压状态下都不会屈曲。这是因为屈曲约束支撑的内核单元外围有钢套管等约束单元的限制，使核心单元在轴向压力作用下，发生全截面屈服之前难以发生屈曲现象，从而有效的规避了普通支撑受压时易屈曲的问题。内核单元的滞回曲线饱满，滞回性能优越，能够耗散大部分地震能量，减小地震作用对主体结构的损伤。

（2）粘滞阻尼器

粘滞阻尼器是根据流体运动原理，特别是当流体通过节流孔时会产生节流阻力的特性而制成的。在地震来临时，阻尼器限度吸收和消耗了地震对建筑结构的冲击能量，能大大缓解地震对结构造成的冲击和破坏。

（3）剪切软钢阻尼器

剪切型软钢金属阻尼器是将软钢作为剪切板，利用其屈服强度低、延性好等优点，与主体结构相比，它能够更早进入屈服，从而可利用软钢屈服后的累计塑性变形来达到耗散地震能量的效果。金属阻尼器具有刚度、承载力、屈服位移等参数覆盖范围全面，性能稳定、耐久性好、环境适应性强、维护费用较低等优点。

（4）摩擦阻尼器

摩擦阻尼器作为一种耗能装置，因其耗能能力强，载荷大小、频率对其性能影响不大，切构造简单，取材容易，造价低廉，因而具有良好的应用前景。特别是在控制结构进断层地震反应和中高层结构地震反应方面有独特优势。摩擦阻尼器对机构进行振动控制的机理是：阻尼器在主要结构构件屈服前的预定载荷下产生滑移或变形，依靠摩擦或阻尼耗散地震能量，同时，由于结构变形后自振周期加长，减小了地震输入，从而达到降低结构地震反应的目的。

综上所述，在实际应用中要根据建筑的不同地区、不同类型选择不同的减震器，以达到最佳的减震效果[3-7]。

1.1 结构动力响应的调整

建筑减震技术的核心思想在于精心调整结构的动力响应，以使建筑在地震来袭时能够以更为灵敏的方式做出反应。这不仅包括提升建筑的柔韧性，通过采用灵活的构造和材料，使其能够更有效地吸收和分散地震产生的能量，而且涉及到对刚度的巧妙管理。通过可调整的支撑系统等手段，降低建筑的刚度，使其具备更强的变形能力，从而有效减缓地震力在建筑结构中的传递速度。

这种巧妙的设计不仅使建筑在地震中展现出更为灵敏的响应，更为重要的是，它为建筑物和其中的居民提供了更为可靠的安全保障，成为现代建筑工程中一项至关重要的技术创新。

1.2 柔韧性与刚度的协调平衡

在追求柔韧性的提升过程中，建筑工程师必须巧妙地平衡结构的刚度，这种柔韧性与刚度的协调成为建筑减震技术成功的制胜法宝。

这个平衡的艺术要求工程师在设计中既要确保结构具备足够的弹性，以适应地震时的变化，同时又要保持足够的刚性，确保建筑整体的稳定性。在这一挑战性的任务中，创新的建筑材料如高性能合金、复合材料等，通过其独特的物理性质，为实现柔刚平衡提供了新的可能性。智能的结构设计则通过先进的计算和模拟技术，使工程师能够更准确地预测结构在地震中的行为，从而更好地优化柔韧性和刚度的分布。

1.3 能量吸收与耗散机制的引入

减震技术的本质在于引入能够有序吸收和耗散地震能量的阻尼器等装置。这些装置通过各自独特的机制，有针对性地消耗地震释放的能量，从而有效地减缓结构的振动幅度。这一错综复杂的过程不仅需要减震装置本身具备高效的能量转换能力，更需要在结构与装置之间实现紧密的协同工作，以确保最佳的减震效果。只有在结构与减震装置之间实现无缝的配合与协调，才能最大化地提升建筑物在地震中的抗震性能，使其在面对地震冲击时能够安全而可靠地经受考验。

1.4 多样化类型的灵活应用

减震技术的多样性为工程领域提供了广泛的选择余地，其中包括金属阻尼器、调谐质量阻尼器和液体阻尼器等多种方案[8]。不同阻尼器各具优势，在不同环境及领域中发挥了重要的作用。这样的技术多元性赋予了工程师更大的自主权，使其能够根据具体项目需求巧妙选择最为适宜的减震技术，从而最大程度地提升建筑物的整体抗震性能。在面对不同地质条件和建筑结构特点时，灵活应用各类减震技术成为实现工程抗震目标的有效手段。

总体而言，建筑减震技术的原理与类型的不断演进，是对地震风险管理一系列积极而有益的探索。在不断的工程实践中，对这些技术进行深入理解并结合创新性思考，将为建筑结构的可靠性和安全性提供更为坚实的基础。这也是建筑工程在迎接未来地震挑战时不断进步的重要动力。

2.建筑减震技术的广泛应用及成功实例

深入研究全球范围内减震技术的应用案例时，我们不难发现，在地震频发地区采用减震技术的建筑在地震中展现出色的抗震表现，成功地控制了人员和财产的损失。这些令人瞩目的成功案例为其他地区的建筑设计和工程提供了宝贵的经验和有益的启示。通过借鉴这些先进的减震实践，其他地区可以更有效地规划和实施抗震措施，从而提高建筑结构在地震中的稳定性，降低灾害带来的风险。这种经验分享的方式不仅有助于减少灾害造成的损失，也有助于全球范围内建筑工程领域的共同进步和发展。

2.1 日本地震防灾领域的先驱实践

日本地处地震活动带，因此一直处于地震防灾领域的领先地位。为了有效地抵御地震冲击，许多日本建筑采用了先进的基础减震技术，通过在建筑构架内引入专门设计的减震装置，成功减轻了地震所引发的动态荷载。这种先进的实践经验尤其在1995 年神户地震之后得到广泛应用，显著减小了建筑物在地震中的损害程度，为其他地区的减震技术应用树立了榜样[9]。

这一成果不仅在技术上取得了显著的成功，也为全球范围内的地震防灾提供了宝贵的经验教训。日本在减震技术的推广中展现出的先进性和成果丰硕性，为其他地震频发地区提供了有益的指导，为全球范围内建筑抗震技术的不断创新和提升树立了标杆。

2.2 加利福尼亚地震区的成功案例

整个加利福尼亚海岸都是地震高发区，然而，在采用减震技术方面，该地区也积累了丰富的经验。以加州大学校园内的一些建筑为例，它们采用了先进的液体阻尼器，这些阻尼器在地震中能够以迅速而有效的方式吸收和分散能量，使得建筑结构能够保持相对稳定，从而大大减小了地震带来的损害。

这种在加利福尼亚地区采用的减震技术展现了其灵活性和高效性，为地震频发地区提供了一种有力的抗震解决方案。加利福尼亚的这一实践经验为其他地区在地震防灾方面提供了宝贵的启示，促使人们对液体阻尼器等先进技术的广泛应用产生更大的兴趣。这也反映了在地震防范方面的技术创新和实践经验分享的全球共同努力。

2.3 中国抗震减灾工程的实际效果

中国作为地震灾害频发国家之一，近年来在抗震减灾工程方面取得了显著的成果[10]。为了增强建筑的抗震性能，一些高层建筑引入了摆钟隔震技术。通过在建筑结构中巧妙设置摆钟，成功地降低了结构的自振周期，从而有效提升了建筑在地震中的抗震能力。这一创新性的技术应用在实际工程中取得了令人瞩目的成果，不仅在减轻地震影响、降低损害方面发挥了积极作用，同时也为中国地震灾害管理树立了成功的榜样。

在2010 年4 月发生的玉树地震，造成大量人员伤亡，而且有近一半的高层建筑在地震中倒塌。根据此次震害调研数据可以发现，在所有倒塌的高层建筑中，几乎所有建筑都没有采取减震措施，也没有安装减震装置，极少数安装阻尼器的结构在地震中的破坏都相对轻微。因此，在进行结构设计时应考虑避免采用不满足规范要求的建筑结构形式，并且对新建建筑的抗震设计，将减震技术应用于新建建筑结构是很有必要的。现如今，在地震频发的城市中，每一栋高层建筑的建设都离不开抗震阻尼器，经验表明阻尼装置能够起到很好的减震效果。

这些工程的实际效果表明，减震技术在中国地震灾害管理中具有良好的应用前景。随着技术的不断创新和经验的积累，中国在抗震减灾领域的不断进步将为未来面临地震威胁的地区提供有益的启示和借鉴。这也反映了中国在地震防范领域致力于推动科技进步和工程实践的决心，为建设更加安全、抗震能力更强的城市和建筑贡献着积极力量。

3.建筑减震技术的研究手段

为了客观评估建筑减震技术的效果，需要对采用减震技术和传统结构设计的建筑在地震中的性能进行全面而深入的量化评估，进而确定最优的减震方案。结合先进的数值模拟技术以及实际监测数据等手段，将为建筑领域的决策者和设计者提供全面而可靠的数据支持，有助于未来的建筑设计更加科学和可持续[11]。

3.1 数值模拟方法

数值模拟作为评估建筑减震效果的重要手段之一，将通过采用先进的有限元分析和计算流体力学模型，以精确模拟建筑结构在地震中的响应。通过对比采用减震技术和传统结构设计的建筑模型，我们可以全面了解减震技术对结构动力学行为的影响，为减震效果的评估提供科学可靠的数值依据[12]。

采用有限元分析，我们将深入挖掘建筑结构在地震荷载下的细微变化，包括振动模式、位移分布等关键参数，以全面了解减震技术在不同地震条件下的实际效果。同时，计算流体力学模型将有助于模拟液体阻尼器等特殊减震装置在地震中的运作机制，为工程实践提供更为详尽和精准的模拟数据。

通过这一先进的数值模拟手段，我们能够深入研究减震技术在不同地震场景下的性能表现，为建筑设计和工程决策提供更加准确和全面的信息。这种科学而全面的数值分析方法有望为减震技术的优化和改进提供深刻的见解，促进抗震技术的不断创新[13]。

3.2 实际监测数据分析

除了数值模拟，还可以结合实际监测数据，通过对现有减震建筑和传统结构建筑在地震事件中的实际表现进行对比。这些实际监测数据包括建筑结构的位移、加速度、变形等多个方面的信息。通过将这些实际监测数据与数值模拟结果进行对比验证，我们能够更加真实地评估减震技术的实际效果，从而在实际工程中提供更为可靠的指导。

实际监测数据的应用不仅为研究提供了真实、可信的数据支持，也为减震技术在实际工程中的应用提供了有力的实践支持。通过对建筑结构在地震中的实际响应进行深入分析，我们能够更全面地了解减震技术在实际场景中的性能，为设计者和决策者提供更为全面的信息，以便更好地规划和实施抗震措施。

结合实际监测数据的研究方法不仅增加了研究的可信度，也强调了理论研究与实际应用相结合的重要性。通过综合考虑实际观测和数值模拟的结果，我们将更好地理解减震技术的性能特点，为未来建筑设计和工程决策提供更为全面和可靠的科学依据。

4.结论与展望

结构减震技术现在已经成为了建筑技术中不可或缺的一部分，它有着卓越的减震效果。在未来的研究中，我们应致力于深化对不同减震技术的理论研究，以更全面深刻地理解它们在不同场景下的工作原理和适用性。随着科技的不断发展，新技术和材料的引入为减震技术的创新提供了广阔的空间。借助先进的工程材料、传感技术以及数据分析方法，我们可以更精确地设计和优化减震系统，提高其性能和适用范围。通过持续的创新，减震技术将能够更好地适应不断变化的建筑需求和地震挑战。

总体而言，减震技术在我国得到了广泛的推广应用，大大提升了建筑物抵御地震的能力，保障了公民的生命财产安全。未来对建筑减震技术的研究应当致力于设计理论的深化、实践经验的夯实、标准制定的完善和技术创新的驱动，以推动其更广泛、更有效地应用于建筑工程中，为地震风险管理提供更为可靠的解决方案。这样的努力不仅有助于提高建筑结构的抗震性能，也将对全球范围内的社会安全和可持续发展产生积极的影响。