余淼，岑睿楠

（1重庆大学智能结构研究中心，重庆400044；2重庆市第一中学校，重庆400030）

磁流变弹性体建筑结构隔震技术探析

余淼1，岑睿楠2

（1重庆大学智能结构研究中心，重庆400044；2重庆市第一中学校，重庆400030）

传统基础隔震系统性能参数固定，不能根据外部振动和载荷变化做出相应调整，在现代建筑隔震领域具有极大的局限性。磁流变弹性体（MRE）因其优异的磁控特性受到大家的广泛关注，利用MRE制作新型智能隔震支座是未来建筑隔震的重要方向。该文对目前MRE在建筑抗震中的应用进行了总结，已有的研究结果表明，MRE隔震支座较传统基础隔震器件在建筑隔震中拥有更好的隔震效果，其在建筑隔震领域拥有广阔的前景。

传统基础隔震；磁流变弹性体；智能隔震支座

1 概述

全世界平均每年发生破坏性地震近1000次，其中震级达7级及以上的地震大约十几次。由地震引发建筑结构的坍塌给人类生命财产带来了巨大损失[1]。在我国，地震造成的危害尤为突出。我国建筑总体抗震设防标准偏低，很难防御大地震。此外，我国正在进行基础建设的高潮期，各种大结构、高耸化、形态复杂的建筑层出不穷，这种复杂结构在地震过程中更容易被破坏。为此，研究建筑隔震技术，提高建筑物的抗震能力成为土木工程领域的研究热点。经过多年探索，国内外学者提出了许多建筑隔震方法，如在建筑物上安装软钢阻尼器[2]、摩擦阻尼器[3]与阻尼墙[4]等耗能装置，用以吸收地震波能量，降低地震对建筑物的损害。目前，应用最广、最成熟的方案为基础隔震技术。

2 传统基础隔震技术

2.1 基础隔震原理

基础隔震的概念最早由日本学者河合浩藏于1881年首次提出，但直到20世纪70年代，铅芯隔震支座被新西兰学者W.H. Robinson[5]研制出之后，该技术才受到人们的广泛关注。基础隔震是通过在建筑物底部与基础顶面之间安装隔震消能装置，来增加建筑结构的变形能力与滞变阻尼[6]。变形能力的增加延长了建筑结构的振动周期，使其自身的相对位移变化较小；阻尼的增加可以吸收更多的地震能量，两者相互作用，降低地震对建筑物的损害。

2.2 橡胶支座隔震

橡胶支座是目前建筑基础隔震中最常使用的隔震器件，截至目前，世界上大约拥有3100余栋建筑采用了基础隔震技术，其中80%的建筑采用了橡胶隔震支座。1969年南斯拉夫的贝斯特洛奇小学首次采用纯天然橡胶隔震支座对建筑进行隔震，但由于技术限制，其隔震效果并不显著。1981年新西兰William Clayton政府办公大楼建成，它是世界上首次采用铅芯橡胶隔震支座的建筑。此后，国外学者对橡胶支座隔震技术进行了深入的研究，采用橡胶支座隔震的建筑也层出不穷。80年代，我国开展了对橡胶支座隔震技术的研究，至90年代，该技术日趋成熟。1993年，周福霖院士设计建成了中国首幢采用叠层橡胶支座的隔震住宅楼，被联合国工发组织评为“世界隔震技术发展第三个里程碑”[7]。2013年中国庐山地震中，庐山县人民医院的三栋楼房中有两栋被严重破坏，唯一一栋使用橡胶支座隔震的楼房保存完好，并成为急救中心。该事件充分证明了橡胶支座在建筑隔震中的有效性。

目前，常用的橡胶隔震支座主要包括：天然橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座与高阻尼橡胶隔震支座。其中，天然橡胶隔震支座是将天然橡胶与薄钢板交替连接，在高温、高压条件下，将橡胶材料硫化到薄钢板上。该结构可以保证支座在较高的负载下仍然具有较低的水平刚度。铅芯橡胶隔震支座是在天然橡胶隔震支座的基础上开孔筑铅而成，由于铅芯的作用，大大提高了橡胶支座的阻尼。高阻尼橡胶支座的结构与天然橡胶隔震支座的结构相同，只是将材料替换为高阻尼橡胶。工程实践表明，橡胶隔震支座在高阻尼条件下具有更显著的隔震效果。

2.3 摩擦滑移隔震

摩擦滑移隔震的原理是：在建筑物底部与基础顶部安装摩擦滑移隔震器，当基础激励较小时，在静摩擦力的作用下，建筑物与基础将保持相对静止，从而保证建筑结构的稳定。当基础振动较大时，建筑物将克服静摩擦力而滑动。由于摩擦力保持不变，因此无论振动能量多强，传递到建筑物上的能量将保持不变，从而实现隔震的目的。

目前，最常用的摩擦滑移隔震装置是滑板式隔震支座[8]与摩擦摆隔震支座[9]。但是，由于受到摩擦材料的耐久性与可靠性、施工复杂、地震后结构无法复原等多种因素的限制，该隔震方法无法大规模应用。

2.4 传统隔震技术的不足

传统基础隔震支座具有较低的水平刚度，通过建筑物与地面的相对运动降低地震的危害。但是，由于它的性能参数固定，一旦安装完成，整个建筑结构的特性保持不变，无法根据外部的震动情况进行调整。当未发生地震时，由于建筑结构的水平刚度较低，在风的作用下建筑容易产生晃动，建筑结构的稳定性降低。当地震来临时，若地震能量过大，将造成建筑物的严重晃动，建筑之间容易产生撞击，造成严重的破坏。

为了克服传统基础隔振系统的缺点，学者们提出了智能基础隔震系统的概念，其刚度与阻尼可以随外部震动的变化发生非线性变化，使建筑保持稳定的同时，达到最好的隔震效果。磁流变弹性体（MRE）的出现为智能隔震支座的设计提供了一种选择。

3 磁流变弹性体在建筑抗震中的应用

3.1 磁流变弹性体

磁流变弹性体（magnetorheological elastomer，MRE）是磁流变材料的一个新的分支，它是由高分子聚合物（如硅橡胶）和微米级软磁性颗粒（如羰基铁粉）混合而成。在外加磁场作用下，铁磁性颗粒形成有序的链状结构，并固化在高分子基体中[10]。由于MRE具有优良的磁控特性，在外加磁场下，材料的模量发生显著的变化，因此在振动控制领域具有广阔的前景。

MRE最早是由日本学者Shiga等人利用硅树脂与铁粉混合制备而成。随后，国内外学者针对这种新型智能磁控材料，从基体的选择、颗粒的选择与修饰、辅助添加剂的使用等多个方面展开了研究。根据不同场合的需求，制备出不同功能的MRE材料，为MRE走向工程应用做好了铺垫。

3.2 磁流变弹性体基础隔震原理

与传统基础隔震原理类似，MRE基础隔震也是通过增加建筑结构的变形能力，延长建筑结构的振动周期，从而实现建筑隔震。不同之处在于，MRE基础隔震系统可以根据外部振动情况，实时改变自身的刚度与阻尼。即在未地震时，隔震系统拥有较大的水平刚度，在风的作用下，建筑物不会产生严重的晃动，保证了建筑结构的稳定性。而在地震波到来时，它的横向刚度要求能够迅速变小，使建筑在地震波的冲击下能够产生小幅的横向位移来阻隔地震波向上部建筑结构的传递。同时为了当地震来临时，隔震系统的水平刚度降低，建筑物与地面发生相对移动，降低地震对建筑物的破坏。根据地震能量的不同，实时改变系统的水平刚度。在大地震情况下，当隔震支座在横向位移达到阀值，隔震系统的刚度能够急剧增大，对建筑物进行限位，防止横向位移过大建筑物的倾侧失稳或与周边基坑发生碰撞。

3.3 磁流变弹性体在建筑基础隔震中的应用

由于MRE具有优异的磁控特性，因此，利用其制作的隔震支座，结合合适的控制算法，可以根据外部的振动情况实时改变自身的刚度与阻尼特性，能够达到更好的隔震效果。为此，国内外学者一直致力于此方面的研究，并取得了一定的成果。

澳大利亚卧龙岗大学的李卫华团队[11,12]利用MRE设计制作了一款隔震支座，其结构如图1所示。与传统橡胶隔震支座的结构类似，该MRE隔震支座也采用MRE与钢片的叠堆形式，在保证较小的水平刚度的同时，大大提高支座的竖向承载力。此外，在磁场设计方面，尽可能保证支座内部形成闭合磁路，减少漏磁效应，大大提高磁场的利用率。该支座在正常环境下处于被动工作模式，不需要外部提供能量。由于永磁铁的存在，MRE叠堆工作在较大的磁场中，因此支座具有很高的水平刚度，可以保证其上部建筑结构的稳定。当地震来临时，通过电磁线圈在MRE叠堆内部产生一个反向磁场，抵消永磁铁产生的磁场，此时MRE工作在较低的磁场环境中，支座的水平刚度较低，从而达到保护上部建筑的目的。

图1 双向调节的MRE隔震支座

该团队利用上述MRE隔震支座搭建了相应的楼房隔震系统，如图2（b）所示。四个MRE隔震支座安装在一个三层楼房模型底部，利用电磁激振器模拟El Centro地震波（图2（a）所示）。利用加速度传感器与位移传感器采集模型各层的加速度信号与位移型号，并将其输入自行设计的模糊控制器中。模糊控制器通过计算，输出相应的控制电流，来实时改变各个MRE隔震支座的刚度与阻尼。实验结果表明，采用模糊控制后，建筑模型顶部与底部的相对位移较未采用隔震措施时衰减了59.64%，较被动状态衰减了21.80%，取得了显著的隔震效果。

图2 基于MRE隔震支座的楼房隔震系统

美国内华达大学的Gordaninejad团队[13]利用MRE与橡胶材料设计制作了一款混合隔震支座，其结构如图3所示。支座内部形成闭合磁路，磁场垂直穿过MRE。利用橡胶材料进一步提高支座的竖向承载力。为验证混合隔震支座在隔震方面的有效性，该团队也搭建了相应的建筑隔震系统（其具体结构与图2类似），并采用李雅普诺夫控制策略对其进行了控制实验。测试结果显示，在El Centro地震波环境下，与被动控制相比，该隔震系统可以有效地衰减建筑模型的加速度与位移，其中，模型顶层的最大加速度可衰减22%，最大位移衰减58%。

图3 MRE与橡胶混合隔震支座

韩国科技大学的Seung-Hyun Eem团队[14]将MRE嵌入刚性结构中制成磁控隔震支座，并用其搭建了建筑模型的隔震系统，其结构如图4所示。模糊控制仿真结果显示，该隔震系统在El-Centro地震波和人工地震波作用下都展现出优异的抗震性能，其中结构响应的最大值和均方根值分别减小了11%～26%和36%～39%。

图4 磁控隔震支座的建筑隔震系统

由于对MRE及其器件的研究起步较晚，因此，国内学者对MRE在建筑抗震方面的研究较少，主要工作还集中在理论仿真层面。武汉理工大学涂建伟团队[15]针对MRE在建筑隔震中的应用，提出了多款层叠式MRE隔震支座，并对线圈的布置进行了磁场仿真，提出了最优的线圈布置方案。此外，该团队还探讨了开关控制、MCS控制等算法对建筑结构减震的效果。仿真结果表明，MRE智能隔震支座具有优异的隔震性能。

重庆大学智能结构研究中心[16]针对桥梁减震设计了一款MRE隔震支座，如图5所示，性能测试结果表明，在5A电流下，该支座的固有频率较零场下增加了100%，刚度和阻尼变化分别增加了140%和150%。理论分析显示，在切换控制下，该支座在宽频段内拥有优异的隔震性能。

图5 桥梁减震用MRE隔震支座

MRE材料的出现为智能基础隔震提供了一种选择，经过国内外学者多年的研究，MRE及其器件已开始逐步进入工程应用。目前，MRE隔震支座在建筑隔震领域仍存在许多不足，如温度稳定性差、机械强度低、磁流变效应不高等。但是，针对已经出现的问题，学者们进行了专项深入的研究，对MRE材料及其器件不断完善与改进，为其工程应用做好铺垫。

4 总结

传统基础隔震装置由于受到材料的限制已经无法满足现代建筑隔震的需求，利用磁流变弹性体制作新型智能隔震器件逐渐受到大家的关注。本文对磁流变弹性体在建筑抗震中的应用进行了总结，对其在建筑隔震中的可行性进行了探讨。相信在未来，MRE隔震支座将获得广泛的应用。

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责任编辑：孙苏，李红

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，四川遂宁人，博士，教授，研究方向为智能材料与智能结构系统。