磁流變彈性體建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)探析

余淼，岑睿楠

（1重慶大學(xué)智能結(jié)構(gòu)研究中心，重慶400044；2重慶市第一中學(xué)校，重慶400030）

磁流變彈性體建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)探析

余淼1，岑睿楠2

（1重慶大學(xué)智能結(jié)構(gòu)研究中心，重慶400044；2重慶市第一中學(xué)校，重慶400030）

傳統(tǒng)基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)性能參數(shù)固定，不能根據(jù)外部振動和載荷變化做出相應(yīng)調(diào)整，在現(xiàn)代建筑隔震領(lǐng)域具有極大的局限性。磁流變彈性體（MRE）因其優(yōu)異的磁控特性受到大家的廣泛關(guān)注，利用MRE制作新型智能隔震支座是未來建筑隔震的重要方向。該文對目前MRE在建筑抗震中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，已有的研究結(jié)果表明，MRE隔震支座較傳統(tǒng)基礎(chǔ)隔震器件在建筑隔震中擁有更好的隔震效果，其在建筑隔震領(lǐng)域擁有廣闊的前景。

傳統(tǒng)基礎(chǔ)隔震；磁流變彈性體；智能隔震支座

1 概述

全世界平均每年發(fā)生破壞性地震近1000次，其中震級達(dá)7級及以上的地震大約十幾次。由地震引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)的坍塌給人類生命財產(chǎn)帶來了巨大損失[1]。在我國，地震造成的危害尤為突出。我國建筑總體抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)偏低，很難防御大地震。此外，我國正在進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)的高潮期，各種大結(jié)構(gòu)、高聳化、形態(tài)復(fù)雜的建筑層出不窮，這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)在地震過程中更容易被破壞。為此，研究建筑隔震技術(shù)，提高建筑物的抗震能力成為土木工程領(lǐng)域的研究熱點。經(jīng)過多年探索，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多建筑隔震方法，如在建筑物上安裝軟鋼阻尼器[2]、摩擦阻尼器[3]與阻尼墻[4]等耗能裝置，用以吸收地震波能量，降低地震對建筑物的損害。目前，應(yīng)用最廣、最成熟的方案為基礎(chǔ)隔震技術(shù)。

2 傳統(tǒng)基礎(chǔ)隔震技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)隔震原理

基礎(chǔ)隔震的概念最早由日本學(xué)者河合浩藏于1881年首次提出，但直到20世紀(jì)70年代，鉛芯隔震支座被新西蘭學(xué)者W.H. Robinson[5]研制出之后，該技術(shù)才受到人們的廣泛關(guān)注?；A(chǔ)隔震是通過在建筑物底部與基礎(chǔ)頂面之間安裝隔震消能裝置，來增加建筑結(jié)構(gòu)的變形能力與滯變阻尼[6]。變形能力的增加延長了建筑結(jié)構(gòu)的振動周期，使其自身的相對位移變化較小；阻尼的增加可以吸收更多的地震能量，兩者相互作用，降低地震對建筑物的損害。

2.2 橡膠支座隔震

橡膠支座是目前建筑基礎(chǔ)隔震中最常使用的隔震器件，截至目前，世界上大約擁有3100余棟建筑采用了基礎(chǔ)隔震技術(shù)，其中80%的建筑采用了橡膠隔震支座。1969年南斯拉夫的貝斯特洛奇小學(xué)首次采用純天然橡膠隔震支座對建筑進(jìn)行隔震，但由于技術(shù)限制，其隔震效果并不顯著。1981年新西蘭William Clayton政府辦公大樓建成，它是世界上首次采用鉛芯橡膠隔震支座的建筑。此后，國外學(xué)者對橡膠支座隔震技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，采用橡膠支座隔震的建筑也層出不窮。80年代，我國開展了對橡膠支座隔震技術(shù)的研究，至90年代，該技術(shù)日趨成熟。1993年，周福霖院士設(shè)計建成了中國首幢采用疊層橡膠支座的隔震住宅樓，被聯(lián)合國工發(fā)組織評為“世界隔震技術(shù)發(fā)展第三個里程碑”[7]。2013年中國廬山地震中，廬山縣人民醫(yī)院的三棟樓房中有兩棟被嚴(yán)重破壞，唯一一棟使用橡膠支座隔震的樓房保存完好，并成為急救中心。該事件充分證明了橡膠支座在建筑隔震中的有效性。

目前，常用的橡膠隔震支座主要包括：天然橡膠隔震支座、鉛芯橡膠隔震支座與高阻尼橡膠隔震支座。其中，天然橡膠隔震支座是將天然橡膠與薄鋼板交替連接，在高溫、高壓條件下，將橡膠材料硫化到薄鋼板上。該結(jié)構(gòu)可以保證支座在較高的負(fù)載下仍然具有較低的水平剛度。鉛芯橡膠隔震支座是在天然橡膠隔震支座的基礎(chǔ)上開孔筑鉛而成，由于鉛芯的作用，大大提高了橡膠支座的阻尼。高阻尼橡膠支座的結(jié)構(gòu)與天然橡膠隔震支座的結(jié)構(gòu)相同，只是將材料替換為高阻尼橡膠。工程實踐表明，橡膠隔震支座在高阻尼條件下具有更顯著的隔震效果。

2.3 摩擦滑移隔震

摩擦滑移隔震的原理是：在建筑物底部與基礎(chǔ)頂部安裝摩擦滑移隔震器，當(dāng)基礎(chǔ)激勵較小時，在靜摩擦力的作用下，建筑物與基礎(chǔ)將保持相對靜止，從而保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。當(dāng)基礎(chǔ)振動較大時，建筑物將克服靜摩擦力而滑動。由于摩擦力保持不變，因此無論振動能量多強，傳遞到建筑物上的能量將保持不變，從而實現(xiàn)隔震的目的。

目前，最常用的摩擦滑移隔震裝置是滑板式隔震支座[8]與摩擦擺隔震支座[9]。但是，由于受到摩擦材料的耐久性與可靠性、施工復(fù)雜、地震后結(jié)構(gòu)無法復(fù)原等多種因素的限制，該隔震方法無法大規(guī)模應(yīng)用。

2.4 傳統(tǒng)隔震技術(shù)的不足

傳統(tǒng)基礎(chǔ)隔震支座具有較低的水平剛度，通過建筑物與地面的相對運動降低地震的危害。但是，由于它的性能參數(shù)固定，一旦安裝完成，整個建筑結(jié)構(gòu)的特性保持不變，無法根據(jù)外部的震動情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)未發(fā)生地震時，由于建筑結(jié)構(gòu)的水平剛度較低，在風(fēng)的作用下建筑容易產(chǎn)生晃動，建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。當(dāng)?shù)卣饋砼R時，若地震能量過大，將造成建筑物的嚴(yán)重晃動，建筑之間容易產(chǎn)生撞擊，造成嚴(yán)重的破壞。

為了克服傳統(tǒng)基礎(chǔ)隔振系統(tǒng)的缺點，學(xué)者們提出了智能基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的概念，其剛度與阻尼可以隨外部震動的變化發(fā)生非線性變化，使建筑保持穩(wěn)定的同時，達(dá)到最好的隔震效果。磁流變彈性體（MRE）的出現(xiàn)為智能隔震支座的設(shè)計提供了一種選擇。

3 磁流變彈性體在建筑抗震中的應(yīng)用

3.1 磁流變彈性體

磁流變彈性體（magnetorheological elastomer，MRE）是磁流變材料的一個新的分支，它是由高分子聚合物（如硅橡膠）和微米級軟磁性顆粒（如羰基鐵粉）混合而成。在外加磁場作用下，鐵磁性顆粒形成有序的鏈狀結(jié)構(gòu)，并固化在高分子基體中[10]。由于MRE具有優(yōu)良的磁控特性，在外加磁場下，材料的模量發(fā)生顯著的變化，因此在振動控制領(lǐng)域具有廣闊的前景。

MRE最早是由日本學(xué)者Shiga等人利用硅樹脂與鐵粉混合制備而成。隨后，國內(nèi)外學(xué)者針對這種新型智能磁控材料，從基體的選擇、顆粒的選擇與修飾、輔助添加劑的使用等多個方面展開了研究。根據(jù)不同場合的需求，制備出不同功能的MRE材料，為MRE走向工程應(yīng)用做好了鋪墊。

3.2 磁流變彈性體基礎(chǔ)隔震原理

與傳統(tǒng)基礎(chǔ)隔震原理類似，MRE基礎(chǔ)隔震也是通過增加建筑結(jié)構(gòu)的變形能力，延長建筑結(jié)構(gòu)的振動周期，從而實現(xiàn)建筑隔震。不同之處在于，MRE基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)可以根據(jù)外部振動情況，實時改變自身的剛度與阻尼。即在未地震時，隔震系統(tǒng)擁有較大的水平剛度，在風(fēng)的作用下，建筑物不會產(chǎn)生嚴(yán)重的晃動，保證了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而在地震波到來時，它的橫向剛度要求能夠迅速變小，使建筑在地震波的沖擊下能夠產(chǎn)生小幅的橫向位移來阻隔地震波向上部建筑結(jié)構(gòu)的傳遞。同時為了當(dāng)?shù)卣饋砼R時，隔震系統(tǒng)的水平剛度降低，建筑物與地面發(fā)生相對移動，降低地震對建筑物的破壞。根據(jù)地震能量的不同，實時改變系統(tǒng)的水平剛度。在大地震情況下，當(dāng)隔震支座在橫向位移達(dá)到閥值，隔震系統(tǒng)的剛度能夠急劇增大，對建筑物進(jìn)行限位，防止橫向位移過大建筑物的傾側(cè)失穩(wěn)或與周邊基坑發(fā)生碰撞。

3.3 磁流變彈性體在建筑基礎(chǔ)隔震中的應(yīng)用

由于MRE具有優(yōu)異的磁控特性，因此，利用其制作的隔震支座，結(jié)合合適的控制算法，可以根據(jù)外部的振動情況實時改變自身的剛度與阻尼特性，能夠達(dá)到更好的隔震效果。為此，國內(nèi)外學(xué)者一直致力于此方面的研究，并取得了一定的成果。

澳大利亞臥龍崗大學(xué)的李衛(wèi)華團隊[11,12]利用MRE設(shè)計制作了一款隔震支座，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。與傳統(tǒng)橡膠隔震支座的結(jié)構(gòu)類似，該MRE隔震支座也采用MRE與鋼片的疊堆形式，在保證較小的水平剛度的同時，大大提高支座的豎向承載力。此外，在磁場設(shè)計方面，盡可能保證支座內(nèi)部形成閉合磁路，減少漏磁效應(yīng)，大大提高磁場的利用率。該支座在正常環(huán)境下處于被動工作模式，不需要外部提供能量。由于永磁鐵的存在，MRE疊堆工作在較大的磁場中，因此支座具有很高的水平剛度，可以保證其上部建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。當(dāng)?shù)卣饋砼R時，通過電磁線圈在MRE疊堆內(nèi)部產(chǎn)生一個反向磁場，抵消永磁鐵產(chǎn)生的磁場，此時MRE工作在較低的磁場環(huán)境中，支座的水平剛度較低，從而達(dá)到保護(hù)上部建筑的目的。

圖1 雙向調(diào)節(jié)的MRE隔震支座

該團隊利用上述MRE隔震支座搭建了相應(yīng)的樓房隔震系統(tǒng)，如圖2（b）所示。四個MRE隔震支座安裝在一個三層樓房模型底部，利用電磁激振器模擬El Centro地震波（圖2（a）所示）。利用加速度傳感器與位移傳感器采集模型各層的加速度信號與位移型號，并將其輸入自行設(shè)計的模糊控制器中。模糊控制器通過計算，輸出相應(yīng)的控制電流，來實時改變各個MRE隔震支座的剛度與阻尼。實驗結(jié)果表明，采用模糊控制后，建筑模型頂部與底部的相對位移較未采用隔震措施時衰減了59.64%，較被動狀態(tài)衰減了21.80%，取得了顯著的隔震效果。

圖2 基于MRE隔震支座的樓房隔震系統(tǒng)

美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)的Gordaninejad團隊[13]利用MRE與橡膠材料設(shè)計制作了一款混合隔震支座，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。支座內(nèi)部形成閉合磁路，磁場垂直穿過MRE。利用橡膠材料進(jìn)一步提高支座的豎向承載力。為驗證混合隔震支座在隔震方面的有效性，該團隊也搭建了相應(yīng)的建筑隔震系統(tǒng)（其具體結(jié)構(gòu)與圖2類似），并采用李雅普諾夫控制策略對其進(jìn)行了控制實驗。測試結(jié)果顯示，在El Centro地震波環(huán)境下，與被動控制相比，該隔震系統(tǒng)可以有效地衰減建筑模型的加速度與位移，其中，模型頂層的最大加速度可衰減22%，最大位移衰減58%。

圖3 MRE與橡膠混合隔震支座

韓國科技大學(xué)的Seung-Hyun Eem團隊[14]將MRE嵌入剛性結(jié)構(gòu)中制成磁控隔震支座，并用其搭建了建筑模型的隔震系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。模糊控制仿真結(jié)果顯示，該隔震系統(tǒng)在El-Centro地震波和人工地震波作用下都展現(xiàn)出優(yōu)異的抗震性能，其中結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最大值和均方根值分別減小了11%～26%和36%～39%。

圖4 磁控隔震支座的建筑隔震系統(tǒng)

由于對MRE及其器件的研究起步較晚，因此，國內(nèi)學(xué)者對MRE在建筑抗震方面的研究較少，主要工作還集中在理論仿真層面。武漢理工大學(xué)涂建偉團隊[15]針對MRE在建筑隔震中的應(yīng)用，提出了多款層疊式MRE隔震支座，并對線圈的布置進(jìn)行了磁場仿真，提出了最優(yōu)的線圈布置方案。此外，該團隊還探討了開關(guān)控制、MCS控制等算法對建筑結(jié)構(gòu)減震的效果。仿真結(jié)果表明，MRE智能隔震支座具有優(yōu)異的隔震性能。

重慶大學(xué)智能結(jié)構(gòu)研究中心[16]針對橋梁減震設(shè)計了一款MRE隔震支座，如圖5所示，性能測試結(jié)果表明，在5A電流下，該支座的固有頻率較零場下增加了100%，剛度和阻尼變化分別增加了140%和150%。理論分析顯示，在切換控制下，該支座在寬頻段內(nèi)擁有優(yōu)異的隔震性能。

圖5 橋梁減震用MRE隔震支座

MRE材料的出現(xiàn)為智能基礎(chǔ)隔震提供了一種選擇，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年的研究，MRE及其器件已開始逐步進(jìn)入工程應(yīng)用。目前，MRE隔震支座在建筑隔震領(lǐng)域仍存在許多不足，如溫度穩(wěn)定性差、機械強度低、磁流變效應(yīng)不高等。但是，針對已經(jīng)出現(xiàn)的問題，學(xué)者們進(jìn)行了專項深入的研究，對MRE材料及其器件不斷完善與改進(jìn)，為其工程應(yīng)用做好鋪墊。

4 總結(jié)

傳統(tǒng)基礎(chǔ)隔震裝置由于受到材料的限制已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代建筑隔震的需求，利用磁流變彈性體制作新型智能隔震器件逐漸受到大家的關(guān)注。本文對磁流變彈性體在建筑抗震中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，對其在建筑隔震中的可行性進(jìn)行了探討。相信在未來，MRE隔震支座將獲得廣泛的應(yīng)用。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Analysis on Seismic Technology of Magnetorheological Elastomerfor ArchitecturalConstruction

The parameters of the traditionalbase isolation system are constantand cannotbe adjusted according to the changes of the externalvibration and load.Therefore,ithas greatlimitations in the field of modern building isolation.Magnetorheologicalelastomer（MRE）are widely concerned for its excellent magnetic controlcharacteristics,and it is an importantdirection of seismic isolation to design novelintelligent isolation bearing by using MRE in the future.In this paper,the application of MRE in seismic isolation of buildings is summarized.Existing research results indicate that the MRE isolation bearing has better isolating effectcompared with the traditionalbase isolation device.

traditionalbase isolation;magnetorheologicalelastomer;intelligentisolation bearing

TU591

A

1671-9107（2017）02-0045-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.02.045

2017-01-18

余淼（1973-），男，四川遂寧人，博士，教授，研究方向為智能材料與智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。