广东天信电力工程检测有限公司510663
摘要：首先对高层建筑结构的振动控制理论以及它的应用现状进行简单概述，然后着重介绍被动控制中的隔震控制，就目前国内外高层建筑结构设计采用的隔震控制技术中存在的一些问题进行归纳总结，并在最后提出仍需值得探讨的问题。
关键词：振动控制；主动控制；被动控制；隔震；基础隔震
目前，我国的高层建筑往往设计成传统的结构抗震体系，即通过增强结构本身的抗震性能（强度、刚度、延性）来抵御地震作用，由结构本身储存和消耗地震能量，这是被动消极的抗震对策，也就是一种“以刚克刚”的思想；而随着结构振动控制理论和技术的诞生和发展，一种新的以减震为手段的设计已在国内外一些地震多发地区得到了应用，与前者对比，这是积极主动的抗震对策，一种新的“以柔克刚”的抗震设计思想。
1.高层建筑结构振动控制及其应用
在土木工程中结构控制的概念是在1972年由美国学者J.T.P.Yao教授首先提出来的。国内的这方面研究始于80年代初王光远院士对高耸结构风振控制的评述，李桂青教授曾在1987年首次提出了“控制结构”的概念，得到了国际上的认同。经过30多年，许多学者在结构振动控制方式、结构振动控制设计计算方法以及结构振动控制装置等方面做的大量理论研究和实践工作，使得结构控制技术有了很大发展，并趋向成熟。
结构的振动控制是研究在动力荷载的作用下,控制结构状态的反应(速度、加速度、能量反应等)的理论和方法。结构振动控制根据是否需要振动控制按是否需要外部能量输入可分为:被动控制（无外部能源输入）、主动控制（有外部能源输入）、半主动控制和混合控制（部分能源输入）。
2.高层建筑结构的隔震控制技术
2.1国内外高层建筑隔震技术应用的现状
隔震技术作为被动控制中应用最广泛，也是最成熟的一项技术，由于具有概念明确、效果明显、经济效益显著等特点，一直是国内外研究与应用的热点，而叠层橡胶支座隔震是当今应用广泛且较为成熟的隔震技术。2000年~2001年，我国相继颁发了《建筑隔震橡胶支座》、《叠层橡胶支座隔震技术规程》，修订后的《建筑抗震设计规范》也首次将“隔震和消能减震设计”的内容列入其中，对叠层橡胶支座的生产和隔震设计提出了要求，形成了较为完善的规范体系。
2.2高层建筑结构设计中隔震控制技术的几个重要问题
根据王曙光[2]、程华群[4]、丁朝辉[3]等人的文献资料，高层建筑结构在进行隔震控制设计时应注意以下几方面的问题。
2.2.1关于长周期高层隔震建筑的隔震效果问题
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010，高层民用建筑结构是指10层及10层以上或房屋高度超过28m。因此高层建筑的周期一般在1.0s以上，高度100m左右高层建筑的基本周期一般在2.5s左右，采用隔震技术后一般可将其周期延长到3.5s左右。根据我国抗震规范的设计反应谱，其地震影响系数在长周期段(5Tg~6Tg)下降缓慢；另外，当阻尼比大于0.05时，地震影响系数曲线的阻尼调整系数也过于保守。按我国规范计算，长周期的高层建筑在隔震前后地震剪力变化不大，隔震效果不明显，但事实却并非如此。长周期高层建筑进行隔震后仍具有较好减震效果。在利用反应谱进行隔震效果分析时，必须要充分考虑高阶振型影响的修正问题，否则会明显低估非隔震结构的地震响应，从而低估减震效果。此外，尽管隔震结构的等效位移比没有隔震的结构大很多，但是其相对位移是减少的，原因在于隔震后上部结构的响应小。通常，经过合理设计的高层隔震结构，还是能够具有明显的减震效果。
2.2.2关于高层隔震结构不同阻尼比对地震影响系数的修正问题
王曙光指出美国、意大利、中国、中国台湾地区的隔震设计规范，均存在等效线性化方法的计算结果比时程分析方法偏大很多的问题。对于我国规范来说，隔震结构的周期越长或阻尼比越大，这2种方法的误差还会进一步增大。其主要的原因可能是：1)我国规范中长周期段的地震影响系数值偏大；2)当结构阻尼比大于5%时，阻尼调整系数的值也偏大。还给出了适合我国抗震规范的地震影响系数的调整式子：
式中：为水平地震影响系数最大值；为场地特征周期值；为结构自振周期。式中和规范原表达式相比，取消了原来的曲线形状参数和，只保留阻尼调整系数，令：
2.2.3关于高层建筑隔震支座的受拉问题
这方面程华群等人在其相关文献中做了详细的分析。高层建筑高宽比较大，倾覆效应显著，易使隔震支座出现拉应力，而通常使用的叠层橡胶支座抗拉能力不强，隔震支座的受拉问题一直是阻碍隔震技术在高层建筑中应用的主要障碍之一。我国规范明确要求隔震支座不宜出现拉应力，即使出现拉应力也应控制在1.2MPa以下。从隔震支座受拉的成因来看，地震引起的倾覆力超过了隔震支座所承受的结构重量，因此可以通过增大隔震支座所承受的重力荷载范围、减小地震作用引起的倾覆力或采用其他高抗拉能力的隔震支座三种思路去解决隔震支座受拉问题。
2.2.4关于规范中隔震支座面压的计算问题
规范中的隔震支座面压验算方法应用到工程设计时，其主要问题有：1)对隔震支座的平均压应力采用设计值计算，还需考虑地震作用。这样的设计方法使得隔震支座的直径偏大很多，不仅加大了隔震层的资金投入，而且加大了隔震层的水平刚度，对隔震效果也不利；2)没有要求对隔震支座在罕遇地震作用下的面压进行验算，只对隔震支座的水平变形作了限制，无法准确把握隔震支座在罕遇地震作用下的安全性和稳定性。
王曙光等提出对于长期荷载作用，只需验算结构本身的长期荷载给隔震支座产生的面压，无需再使用设计值进行面压验算，也不需考虑地震作用效应。对于短期的地震作用，叠层橡胶支座会发生水平变形，此时承载能力降低。因此，需要对叠层橡胶支座进行短期罕遇地震作用下的面压和变形验算。由于地震作用的短期行为，可将设计平均压应力限值适当放宽，采用极限面压和变形关系曲线作为隔震支座极限面压和变形控制线。
2.2.5关于考虑风荷载作用的问题
高层建筑隔震层设计时必须考虑遭遇罕遇地震时的作用，但是对于小震或风荷载作用，隔震组件是否发挥功能，需根据设计目标深入探讨。
在一般高层隔震建筑，高度小于100m，风荷载的作用尚不显著，可能有时低频地震作用更为突出。此时，高层建筑的隔震组件可以不发挥其作用，仅靠结构本身的刚度抵御风荷载。但对于超高层建筑，上空的风速迅猛且风流复杂，风荷载已成为结构的响应的控制因素时，考虑隔震组件的功能发挥有其必要性，通过隔震组件分担结构本身的负担，使结构在一定程度上得到优化，节约成本。
3.探讨
随着高层结构振动控制理论的发展和技术的成熟，尤其是隔震技术，在高层建筑结构的应用将越来越受注目。王曙光、程华群、丁朝辉以及对隔震领域有相当大贡献的周福霖院士等人都有相关文献发表，论证了高层建筑应用隔震控制的可行性和优越性，打下了丰厚的理论方法基础，同时我国现已具备的生产大型橡胶垫隔震支座的能力，也为之提供了物质技术条件，土木界要求国家编制高层建筑隔震技术规程的呼声越来越来，无疑更是为它的应用赢得声势。但是在高层建筑结构在采用隔震控制时仍有以下方面问题至今没有一个确切的答案。
(1)高层建筑结构设计中哪些应采用和宜用隔震技术需要一个明确的界限划分。虽然隔震技术对高层仍有显著的隔震效果，但随着建筑高度的增加隔震效果的下降是怎样一个规律呢？超高层结构是否仍有采用隔震控制的必要？多少米以下的高层采用隔震技术的综合效益最佳这些问题需要进行探讨。
(2)多数隔震层需进入非线性状态才会有明显的隔震效果，对建筑结构起到减少振动响应的作用，那么面对小震及高空的风振，隔震层是否有考虑发挥其功能的可能呢？这涉及到结构振动对人体舒适度的研究。
参考文献：
[1]木建强高层建筑结构的振动控制山西建筑2007(1):68-69
[2]王曙光杜东升刘伟庆高层建筑结构隔震设计关键问题南京工业大学学报(自然科学版)2009(1):71-77
[3]丁朝辉何峥嵘杨建洲高层建筑采用基础隔震技术的探讨福建建筑2008(11):13,23-24
[4]程华群刘伟庆王曙光高层隔震建筑设计中隔震支座受拉问题分析地震工程与工程振动2007(8):161-166
[5]袁兵黄炎生李丽娟基础隔震高层建筑的地震响应分析暨南大学学报(自然科学版)2005(2):81-82
[6]魏德敏康锦霞韩海崴基础隔震高层建筑地震响应的理论分析地震工程与工程振动2003(2):140-144
[7]何永超邓长根曾康康日本高层建筑基础隔震技术的开发和应用工业建筑2002(5):29-31
[8]周福霖工程结构减震控制[M]北京:地震出版社1997