建筑结构的隔震、减振和振动控制

控制方面的研究十分活跃， 工程应用日益增多， 已开始
（59855410 ） 基金项目： 国家自然科学基金资助 。 （1938 - ） （汉族 ） 作者简介： 周锡元 ， 男 ， 江苏无锡人， 中国科 学院院士。 收稿日期：2001 年 12 月
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这一领域的综合评价文章也常见诸于国内外的期刊和 会议上
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关。但在 FPS 中， 摩擦滑块和滑动面是面接触， 且能在 滑移过程中耗散能量。滚轴和滚球装置分别是线接触 和点接触， 不利于支承上部结构很大的重力荷载， 通常 只用来支承下面将介绍的调谐质量阻尼器 ( TMD ) 的质 量块。平面摩擦滑动隔震方法由于造价较低，长期以 Βιβλιοθήκη Baidu一直备受重视。由于上述平面摩擦滑动机构本身没 有自复位能力，因此应该采用弹性或弹塑性恢复元 件。在摩擦滑动隔震系统的设计中如何合理地选择或 优化摩擦系数和复位刚度，保持摩擦系数长期不变等 是提高隔震效果和性能可靠度的关键 [ 10 ] [ 28 ] 。 叠层钢板橡胶支座隔震体系已相对比较成熟
Seismic Base IsOIatiOn, Energy DissipatiOn and VibratiOn COntrOI Of BuiIding Structures
ZHOU Xiyuan1, 2 , YAN Weiming2 , YANG RenIin
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( 1. Institute Of Earthguake Engineering, China Academy Of BuiIding Research, Beijing 100013, China; 2. SchOOI Of Architecture and CiviI Engineering, Beijing POIytechnic University, Beijing 100022, China ) Abstract：This paper reviews the recent prOgress in the fieIds Of seismic base isOIatiOn, energy dissipatiOn and vibratiOn cOntrOI Of buiIding structures subjected tO earthguake and wind excitatiOn in China and abrOad. It is pOinted Out that due tO the fact that the technigues Of base isOIatiOn and energy dissipatiOn are reIativeIy mature, further studies may fOcus On standardizatiOn, design Optimum, structuraI detaiIs as weII as deveIOpment and imprOvement Of the new types Of dampers and Other devices. The new prOducts shOuId be Of IOw cOst, high perfOrmance and efficiency. Semi-active cOntrOI and its appIicatiOn in practicaI engineering are prOmising thOugh the cOntrOI devices and strategy stiII need tO be refined. In cOntrast, the technigue Of active cOntrOI is Iess feasibIe at Ieast fOr nOrmaI muItistOry buiIding in terms Of high inceptive investment and maintenance cOst. In additiOn, it is aIsO stressed that the interdiscipIinary study and participatiOn Of variOus industry enterprises are very impOrtant tO prOmpt further deveIOpment Of the new technigues and prOducts. Keywords: seismic base isOIatiOn, energy dissipatiOn, semi-active structuraI cOntrOI 从理论和试验研究、 方案设计、 结合实际工程进行分析
，
对自振周期较短的房屋减振效果都是比较好的，技术 经济指标一般也是可以接受的。其不足之处是对竖向 振动一般没有减振效果，对长周期水平振动存在共振 危险性， 前者主要影响上部结构， 后者影响到隔震支座 本身的安全。
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基础隔震技术的研究和应用
基础隔震是限制地震能量进入上部结构的方法。
近百年来已提出了许许多多的隔震方案。常用的隔震 机构和体系如叠层钢板橡胶支座、复位弹簧和平面滑 板并联机构、 摩擦摆体系 ( FPS ) 和其它隔震、 减振复合 体系已用于许多实际工程 [ 2 ] 。 FPS 实际是依靠重力复位的摩擦摆滑动机构 [ 3 ] (图 1)， 当上部结构的自振周期较短时， 隔震结构的自 振周期可延长至 T = 2!! R / g， 其中 R 是滑动球面的 半径， g 是重力加速度。依据同样的原理，日本 Okumura 公司开发了将小圆柱体置于大圆柱凹面中的摆 隔震结构的 轴机构 ( TRD ) [ 4 ] 作为基础隔震装置 ( 图 2 ) 。 自振周期 T = 2! （R - R ） ，其中 R 和 R 分别是 "2 g
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前言
近十几年来我国在工程结构的隔震、减振与振动
研究， 向工程试点和应用的方向发展， 几种实用的隔震 体系在规范化和产业化方面取得了明显的进展。 （ GB 50011 — 在我国新的 《建筑抗震设计规范 》 中， 已增加了隔震和消能的专门章节。工程结构 2001） 应用橡胶支座的推荐性设计标准亦已批准。在国际方 面， 自第一届国际结构控制会议于 1994 年在美国洛杉 矶召开以来， 大约每 4 年召开一次， 结构地震反应的控 制已成为地震工程中的热点和前沿性研究方向。有关
第 23 卷第 2 期 2002 年 4 月 文章编号： 1000 - 6869 ( 2002 ) 02 - 0002 - 11
建 筑 结 构 学 报 JOurnaI Of BuiIding Structures
VOI. 23, NO. 2 ApriI, 2002
建筑结构的隔震、 减振和振动控制
周锡元 1, 2，阎维明 2，杨润林 1
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Fig. 3 The two-Side tuned roller-pendulum damper
带来的附加风险是比较小的。 目前在推广应用中的主要问题还是造价与常规的 抗震技术相比尚属偏高。因此，需要继续研究开发经 济高效的隔震橡胶支座及其配套机构，充分发挥橡胶 支座的竖向承载能力和水平变形能力。降低造价的主 要途径是降低上部结构的设防标准和使用比较小的橡 胶支座， 但有时要承担一定风险。为确保安全， 应该开 （l） 展以下研究工作： 隔震机构在大变形和后屈曲条件 （2 ） 下的潜力、 性态和必要的保护措施 [ 33 ] ； 隔震层设置 限位挡块以后可能发生的撞击作用及其影响，这些问 （3 ） 题近几年内已取得了一些进展 [ 32 ] ； 配套的上部结 构和转换层设计方法，特别是在框剪结构中剪力墙底 （4） 部隔震支座的设计计算和构造要求等； 建立相应的 高技术产业， 进一步提高橡胶支座的性能指标， 完善质 （ ） 量保证体系；5 开发具有自适应能力的智能型隔震系 统 [ 58 ] ， 此外对橡胶支座隔震体系也还有一些问题值得 研究， 例如由于倾覆力矩引起的局部提离和受拉， 固端 的转动影响， 高阻尼橡胶支座， 复杂结构的隔震分析方 法和计算机软件等 [ 36 ] 。此外， 隔震体系的优化设计方 法也是值得进一步研究的问题
图3 双向摆轴滚动机构
华中理工大学开发的 阻尼器， 如美国 Enidine 公司 [ 4 ] 、 螺旋圈式阻尼器以及日本 Sawa Terri 公司开发的钢丝 绳张拉阻尼器， 筒式滑块锁紧阻尼器 [ 4 ] [ 28 ] ， 这些阻尼器 可用普通材料制作，其中有些机构的结构和加工工艺 也比较简单，适合在多层和高层建筑中使用。摩擦阻 尼器本身虽无自复位能力，但是可以依靠结构本身的 刚度复位，其主要问题是单一不变的锁紧力有时不能 满足不同强度地震的消能要求， 为此张维 发了多级摩擦阻尼器
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。
值得注意的是在 1994 年的美国加州北岭地震和 1995 年日本兵库县南部地震中有几栋橡胶支座隔震 对这一技术的发展 房屋经历了强烈地震的考验 [ 2 ] [ 42 ] ， 起到了较好的促进作用。自这两次地震以来，应用橡 胶支座的基础隔震技术已获得工程界的认同，相应的 产品标准业已付诸实施
Fig. 2
图2
摆轴滚动机构
The tuned rohher-penduhum damper
近几年来国内对橡胶支座的回转刚度和系统的水 平刚度和设置在底层柱顶上的橡胶支座与柱的串联刚 度进行了实验和理论分析 [ 51 ] [ 52 ] ， 在竖向隔震机构的研 究方面现已开始受到重视 [ 58 ] 。从前面提到的两次地震 中的反应和有关研究结果和经验来看，以上两个问题 3
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， 减振耗能或消能技术近几
年来也已从基础研究转向工程应用，产品标准亦已着 手编制。主动控制方法由于系统复杂，且需依赖功率 能源， 在实际应用方面受到了很大的限制。相比之下， 半主动和混合控制技术由于只需较小的控制能源，而 备受青睐。本文将就作者接触到的有关文献对建筑结 构的隔震、减振和振动控制技术作概要的评述。为促 进这一技术的进一步发展，本文还将在评价现有工作 的基础上， 对今后的研究方向提出几点意见， 希望能起 到抛砖引玉的作用。
的概念。从另一方面考虑，减振消能也可以看作是增 加结构阻尼的方法 。目前已开发出许多类型的阻尼 器， 这里只能选择几种作简要的评价。 !" # 摩擦阻尼器 这种阻尼器本身虽只具有理想弹塑性的特点，但 可以通过与主体结构串、 并联使用， 获得具有接近双线 性滞回特性的阻尼耗能效果。常用的形式有简单摩擦 阻尼器 ( 图 4 ) ， 钢丝绳摩擦 Pall 摩擦阻尼器 [ 5 ] ( 图 5 ) ，
（1. 中国建筑科学研究院工程抗震研究所， 北京 100013； 北京 100022） 2. 北京工业大学建筑工程学院，
摘要：本文对国内外在建筑结构基础隔震、 减振消能和振动控制研究和应用领域中的新进展做了综合评述。文中指出， 由 于基础隔震和减振消能技术已相对比较成熟， 今后的研究可以集中在标准化、 优化设计、 细部构造、 新产品的开发和完善 ( 包括阻尼器和其它机构 ) 等方面。 新产品开发应该以低价、 高效和高性能为目标。 半主动控制及其在工程中的应用前景也 比较看好， 尽管控制机构和策略还有待进一步改进。 相比之下主动控制技术由于其初始投资和维护费用都很高， 至少在一 般多层建筑中应用是不大可行的。此外， 文中还指出跨学科的交叉研究和工业企业的参与对促进这些新技术和产品的进 一步发展是十分重要的。 关键词：基础隔震；能量消散；半主动结构控制 中图分类号：TU352. 1 文献标识码： A
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图1
摩擦摆系剖面图
Fig. 1 The sectionah view of frictionah penduhum system
小圆柱和大圆柱凹面的半径，这种机构只对摆动方向 起隔震作用， 为满足 X、Y 两个方面的隔震要求， 需要 应用双层结构 ( 图 3 ) ， 如果将小圆柱体改成小球， 大圆 柱凹面改成大球凹面， 可以称之为滚球机构， 隔震结构 周期计算公式不变，只需将 R1 和 R2 看作是小球半径 和大球凹面的半径即可。滚轴和滚球机构与 FPS 同属 于重力复位的隔震机构， 隔震原理是相同的， 采用这些 隔震机构时，系统的自振周期与上部结构的荷载都无