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来源：韩庆华, 景铭, 芦燕. 大跨空间结构隔震减振体系研究综述[J]. 钢结构, 2020, 35(7): 17-28.
DOI: 10.13206/j.gjgSE20041901
摘 要
结构振动控制技术是土木工程抗震抗风研究领域的热点之一。本文围绕大跨空间结构隔震减振装置的研发及力学性能研究、隔震减振机理及工程应用等方面，系统地总结了大跨空间结构隔震减振体系现有研究的不足以及未来的发展方向，可为大跨空间结构隔震减振体系的深入研究和进一步应用提供有益的参考。
1隔震技术在大跨空间结构中的发展动态
1.1 隔震装置的研发及力学性能研究
1.1.1 大跨空间结构水平隔震支座研发及力学性能研究
目前研究人员进行了大量隔震支座的设计研发，开发出了一系列的水平隔震支座，主要有叠层橡胶支座、滑移隔震装置以及以此为基础的复合隔震装置，如将交叉丝形状记忆合金或形状记忆合金拉索耗能器与橡胶隔震支座复合，将叠层橡胶隔震支座和黏滞阻尼器组成隔震层等。无论橡胶支座还是滑移隔震支座的改进，其隔震仅是针对水平隔震，但水平隔震支座难以有效降低结构的竖向地震响应。因此，亟需研发三维隔震支座以降低大跨空间结构显著的竖向地震响应。
1.1.2 大跨空间结构三维隔震支座研发及力学性能研究
针对水平隔震支座不能有效进行竖向隔震的问题，许多学者对竖向隔震进行相关的研究，并取得了一系列成果。国外学者率先对三维隔震支座进行了相关研究。研发了如厚橡胶隔震支座，空气弹簧三维隔震装置，铅芯橡胶隔震支座、液压油缸和蓄能器组合成新型三维隔震系统等。早期的竖向隔震装置主要釆用空气弹簧系统或者液压装置，针对核电站及一些重要设备而研发。这些支座的研究设计开创了三维隔震支座的先例，也为后期三维隔震的研发奠定了基础。
与此同时，我国也进行了大量的三维隔震研究。研究人员利用碟形弹簧减振装置，针对大跨空间结构的受力特点和地震响应特点研发了多种组合形式的碟形弹簧三维隔震装置。如铅芯橡胶-碟簧三维隔震支座，摩擦-碟簧三维复合隔震支座，摩擦摆/SMA-橡胶支座-碟簧三维复合隔震支座，DFPS摩擦盘-碟簧三维隔震支座等。上述研究证明碟形弹簧竖向隔震装置可有效降低结构的地震响应，通过不断改进提高了碟形弹簧在大跨空间中应用的可能性。
除碟形弹簧外，研究人员还研发了其他构造形式的三维隔震支座，如将黏弹性核心垫和黏弹性板式阻尼器并联组成高阻尼橡胶三维隔震支座，倾斜旋转型三维隔震支座，竖向变刚度三维隔震装置等。此外，还有厚橡胶隔震支座和普通叠层橡胶隔震支座的组合以及油阻尼器并联的三维隔震支座等组合。上述三维隔震支座均具有不同的优势和特点，但在工程推广应用时受限于大跨空间结构的支座平面尺寸和高度。
目前已研发的三维隔震支座主要适用于核电站结构或多高层建筑结构中，针对大跨空间结构进行研发的三维隔震支座多采用铅芯橡胶隔震支座和碟形弹簧的组合方式。铅芯橡胶隔震支座性能稳定，应用广泛，但自身阻尼较小，水平自复位能力较差，碟形弹簧体积小、强度高，但竖向阻尼较小，不具有抗拔能力。总的来说，大跨空间结构的三维隔震目前还处于初始阶段，现有的三维隔震支座构造有待于进一步优化，以加大隔震技术在大跨空间结构中的应用。
1.2 大跨空间结构隔震机理及工程应用
1.2.1 大跨空间结构隔震机理研究
近年来，大跨空间结构的隔震机理、分析理论和设计方法取得了一定进展，应用隔震技术实际工程逐渐增多。隔震技术在大跨空间结构中有两种应用方式：柱顶隔震和基础隔震。为深入揭示三维隔震支座在大跨空间结构中的隔震机理，研究人员依据支座的理论模型和试验结果，系统分析了大跨空间隔震结构的动力特性和地震响应，为进一步的隔震设计提供了理论基础。
已有研究证明了隔震技术可有效降低大跨空间结构的地震响应，与理论研究的成果相比，对大跨空间结构隔震效果的试验研究成果还不够丰富，尤其缺乏针对新型三维隔震体系开展的振动台试验研究。同时，现有大跨空间结构隔震体系的研究局限于网壳和网架结构中，将研究对象进一步扩展到如张弦梁结构，膜结构等中，同时考虑不同强度、不同频谱特性的地震动和行波效应等对隔震体系的影响是进一步研究的方向。
1.2.2 隔震技术在大跨空间结构中的应用
隔震技术作为一种成熟的振动控制手段，已在许多实际工程中发挥了良好的控制效果。目前已应用于实际工程中的隔震支座主要有叠层橡胶隔震支座和摩擦摆隔震支座。叠层橡胶支座性能稳定，但不具备水平自复位功能且自身阻尼较小，摩擦摆隔震支座依靠摩擦耗能，水平残余位移小，但不具有抗拔功能。上述缺陷限制了隔震支座在大跨空间结构中的应用，通常要配合其他阻尼装置共同发挥作用。如美国旧金山国际机场中转站（图1），通过在柱底设置摩擦摆隔震支座降低大跨度桁架结构的振动响应，预计可减小70%的地震作用。土耳其阿塔图克机场候机大厅在1999年采用摩擦摆隔震支座进行震后加固（图2）。此外，美国西雅图Seahawks棒球管也采用了摩擦摆进行柱顶隔震设计。
a-机场俯瞰图；b-摩擦摆柱底隔震。
图1 美国旧金山国际机场
a-机场俯瞰图；b-摩擦摆柱顶隔震。
图2 土耳其阿塔图克机场
隔震技术在我国大跨空间结构中也有广泛的应用，典型工程有上海国际赛车金融中心，采用了盆式橡胶支座进行柱顶隔震。宿迁市文体综合馆采用隔震支座与黏滞消能器的组合振动控制方案。北京新机场航站楼屋盖采用了层间隔震技术，隔震层由铅芯橡胶隔震支座、普通橡胶隔震支座、弹性滑板支座和阻尼器组合而成（图3）。
a-北京新机场俯瞰图；b-橡胶支座布置示意。
图3 北京新机场
从目前隔震技术在大跨空间结构中的应用情况看，均采用水平隔震技术。虽然国内外研究学者已研发了各种类型的三维隔震支座，但尚未有三维隔震技术在大跨空间结构中的应用实例。继续研发和改进适用于大跨空间结构的三维隔震支座，推动隔震技术在大跨空间结构中的应用势在必行。
2 减振技术在大跨空间结构中的研究动态
2.1 减振装置研发及力学性能研究
针对大跨空间结构减振装置，研究学者针对常见的阻尼器进行改造和创新，并通过减振分析和试验证明了阻尼器的有效性，研发了如SMA弹簧-摩擦阻尼器，SMA复合黏滞阻尼器、新型钢管摩擦阻尼器、多维减振阻尼器等。除对被动耗能减振装置进行改造和创新外，研究学者不断将智能控制和智能材料引入到大跨空间结构中。提出了如大跨空间结构超磁致伸缩主动杆件，变刚度变阻尼半主动控制器模型，双向磁流变阻尼器，压电摩擦阻尼器等。结果表明，阻尼器替换杆件可降低结构的动力响应，但与此同时，阻尼器也降低了结构的刚度。
近些年来，国内外学者在大跨空间结构减振方面取得了很多成果，但仍需要进一步探索与改进，如阻尼器存在构造复杂、后期维护困难等问题。大跨度空间结构跨度大，杆件多，竖向地震响应较框架结构更为明显。因此，有必要继续研究适用于大跨空间结构的减振装置，使其同时具有良好的耗能能力、自复位能力、抗疲劳性能及可更换性，为减振装置在大跨空间结构中的广泛应用奠定基础。
2.2 大跨空间结构减振机理及工程应用
2.2.1 大跨空间结构减振机理研究
减振技术作为一种成熟的振动控制手段，也在大跨空间中得到了较为广泛的应用，集中在网壳结构的地震反应控制中。主要采用两种方式：第一种是在网壳中设置多个TMD装置，第二种是在网壳结构中设置黏滞阻尼器和黏弹性阻尼器等。工程实践表明，在结构的某些关键部位安装减震装置可以很好地控制结构在地震、风等动力荷载作用下的反应。已有研究分别针对不同的减振装置提出了相应的分析理论和设计方法，证明了减振技术可有效降低大跨空间结构的地震响应。与隔震技术类似，缺乏针对大跨空间结构减振体系开展的试验研究，也缺乏针对不同类型的大跨空间结构提出统一的设计方法，亟需进一步探究结构类型、杆件替换方式、地震动强度和地震动类型等参数对大跨空间结构减振效果的影响。
2.2.2 减振技术在大跨空间结构中的应用
在大跨空间结构中的应用最为广泛的减振装置为油压阻尼器。如日本长野市奥林匹克竞技馆，为保证屋面稳定性，在该结构的屋面系统中安装了油阻尼器。日本福冈开闭式体育场为防止强烈地震时振幅较大，在屋顶中心部位设置了油压减震器（图4）。美国西雅图棒球场屋顶在屋顶桁架和柱子的连接处设置了四个世界上最大的液压黏滞阻尼器。
a-体育场平面图；b-屋顶油压减震器。
图4 福冈体育场
在著名的芝加哥战士体育场看台上，首次使用TMD减振系统来控制看台上观众移动和突发性扰动所可能带来的振动，设置36个泰勒液体黏滞阻尼器并配合TMD系统（图5）。沈阳站大跨度屋盖以及上海世博文化中心悬挑钢结构也选取了TMD 装置对结构进行振动控制。
图5 芝加哥战士体育场看台下安装的TMD减振系统
大跨空间结构振动控制现在已开始引起学者的重视，但研究程度远不及多、高层房屋深入和广泛，尤其是国内的应用研究刚刚起步。主要原因是空间结构自由度数高，动力特性复杂，频率及振型分布密集，其次结构节点、单元数多，动力分析复杂，且最优控制部位难于确定。但是从国外的应用实例可以看出，减振装置对大跨结构的减振效果是非常明显的，在大跨空间结构中应用减振技术具有很好的前景。
3 讨论和展望
近三十年来，大跨空间结构隔震减振体系的研究取得了令人瞩目的成果，在多个实际工程中展现了良好的控制效果。虽然已经提出、设计、研究甚至建造了大量基于隔震减振技术的体育场馆和交通枢纽等空间结构，但目前隔震减振体系的发展并没有达到工程师们最初的期望。以下几个方面需要进一步研究。
在隔震减振元件研发方面，大跨空间结构突出的竖向地震响应要求隔震支座应须具有三维隔震功能，同时具有抗拔和转动功能等，进一步开发具有三维隔震功能的新型支座是大跨空间结构未来的发展方向之一。现有阻尼器存在构造复杂、后期维护困难等问题，还需继续研发同时具有耗能能力，自复位能力，抗疲劳性能及可更换性的新型减振装置。
在理论分析方法方面，大跨空间结构动力特性复杂，结构形式多样，最优控制部位很难寻求统一的形式。在开发新产品、新理论的基础上，还需进一步增加大跨空间结构隔震减振体系的试验研究，提出准确、简单、实用的理论分析和设计方法，如动态子结构法可改善大型空间结构计算复杂、费时的问题，基于多尺度分析方法同时把握结构的整体受力特征和微观破坏形态，为解决复杂结构的动力分析提供有效方法。
在智能控制方面，主动控制和半主动控制等智能控制技术在大跨度空间结构中的研究应用相对较少。将智能控制引入大跨空间结构中，开发新型智能材料，优化智能控制算法，解决现有智能控制装置和控制环节复杂、可靠性差等缺点，改善被动控制控制效果不理想的问题，对提升结构韧性水平，推进大跨空间结构隔震减振的应用具有重要意义。
在抗震韧性评估方面，由于城市重大基础设施的韧性是保障城市系统基本功能的关键，是实现城市韧性的核心，对大跨空间结构进行韧性评估也是十分必要的。提出大跨空间结构隔震减振体系韧性提升技术，可为大跨空间结构的安全运行提供理论支撑和技术保障。
4 结 论
本文主要从设计理念、力学性能、隔震减振机理等方面综述了几种常用的隔震减振体系。目前隔震减振体系已在网壳结构和桁架结构中有了一定程度的应用，这些应用案例充分证明了将振动控制技术应用于大跨度空间结构的可行性，但为了进一步提高结构的可靠性和实用性，还需要解决一些问题。基于现有研究成果，加强振动控制技术的应用研究，进一步开发有关新型实用的产品，可最大限度减轻灾害风险，为大跨空间结构提供最直接、最有效的安全保障。
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1.http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgSE20041901 （注册登录免费获取）
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3.http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/KnowledgeNet/GJIG202007002?db=STMJTEMP
作者简介
韩庆华
天津大学 教授 博士生导师
国务院特殊津贴专家，国家“万人计划”科技创新领军人才，国家杰出青年科学基金获得者。天津大学建筑工程学院党委书记、院长。担任中国地震局地震工程综合模拟与城乡抗震韧性重点实验室主任。兼任国际薄壳与空间结构协会（IASS）张拉与膜结构工作委员会（WG6）委员、住房和城乡建设部高等教育土木工程专业评估委员会委员以及中国钢结构协会空间结构分会理事会副理事长等。
从事钢结构与大跨空间结构、地震工程与工程振动基础理论研究和工程应用推广。负责国家及省部级基金项目20余项，发表高水平期刊论文100余篇，出版专著3部、教材3部，获国家及省部级科技奖励10项。成果应用于2008北京奥运会老山自行车馆等60余项重大工程中。
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融媒体编辑：张白雪
责任编编：慕婷婷
关于期刊
中冶建筑研究总院有限公司和中国钢结构协会联合主办、《工业建筑》杂志社有限公司编辑出版的中文科技期刊《钢结构》Steel Construction，于1986年创刊，2019年为促进国际学术交流，并兼顾对内传播，满足国内外读者需要，经国家新闻出版署批准，期刊文种变更为中英文双语出版，同时更名为《钢结构（中英文）》Steel Construction（Chinese & English）/ISSN 2096-6865/CN 10-1609/TF，自2020年1月全面改版发行。
期刊报道方向包括：高性能钢材，空间钢结构，高层钢结构，预应力钢结构，钢-混凝土组合结构，轻型钢结构，住宅钢结构，桥梁钢结构，特种钢结构及装配式钢结构建筑等。今后将持续关注国际学术热点，深入思考未来发展方向，报导具有高学术水平和应用价值的科研成果。
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