将倒摆作为负刚度机制引入并采用准零刚度方法改进地震性能的新型结构系统

为何更安全的建筑至关重要

对于生活在地震多发地区的人们来说，建筑安全不是抽象的问题——它决定了在强震后住宅、医院和关键基础设施能否继续使用。本文提出了一种通过重新思考建筑与地面连接方式来保护建筑物的全新方法。作者不是简单地让结构更坚固或更刚性，而是设计了一种巧妙的支撑系统，使建筑能够以受控且平缓的方式运动，从而在破坏性震动到达居住楼层前将其滤除。

建筑通常如何抗震

传统建筑主要设计用于承载来自楼层、墙体和屋顶的竖向荷载。随着时间推移，工程师通过添加支撑、剪力墙和刚性框架来更好地应对地震带来的侧向冲击。这些措施提高了建筑的横向刚度，有助于抵抗强大作用力，但在地面快速移动时也可能产生较大的内部力并导致破坏。为减少这一问题，现代隔震系统在建筑与基础之间设置柔性构件——如橡胶支座或滑动摆——以延长结构的固有“摆动”周期，使其与最具破坏性的地震频率错开，从而减少传入结构的振动。

新思路：利用“负刚度”

本文的创新在于有意将两种相反的行为融合到一个混合系统中：正刚度倾向于将被扰动的物体拉回初始位置，而负刚度则倾向于把它推离原位。正刚度由基于摆的隔震器提供——在原理上类似现有的摆式支座——而负刚度则来自由重心较大的内部核心通过铰端柱支撑形成的倒摆。将二者组合时，外部结构壳体置于希望将其重新集中定位的摆式隔震器上，而较重的内部核心则表现为略微不稳定的柱，从而“软化”整体的侧向抵抗。结果是一个准零刚度状态：在有用的位移范围内，建筑显得极其柔软，因而以缓慢平和的方式摆动，而不是随着地面猛烈抖动。

混合系统的实际工作原理

为理解该机制，作者首先使用能量方法写出一对相连摆——一个正常摆和一个倒摆——的运动方程。这些方程表明，引入负刚度实际上会增加系统的振动周期，就好像一个短摆突然表现得像一个长得多的摆一样。在数值试验中，装有负刚度的一米长摆的响应仿佛变成了五米长摆。然后团队在来自美国和日本的三段著名地震记录下模拟系统响应。他们比较了若干情形：固定基础结构、仅有正刚度隔震的结构，以及在不同阻尼水平下的新型混合系统。

模拟结果揭示了什么

地震分析显示，添加负刚度能显著降低传递到结构的加速度，使运动对居住者和物品来说更平缓、更不剧烈。重要的是，与许多传统隔震器以更大位移换取更低加速度不同，所提系统实际上也能减小位移。基于能量的度量证实，与固定框架和具有相同时期的标准隔震系统相比，混合隔震器使进入结构的地震能量更少。快速傅里叶变换分析将运动分解为频率成分，进一步证明混合系统能过滤掉大量破坏性的频率成分，同时附加阻尼将共振控制在安全范围内。

在真实建筑上的试验

为超越抽象模型，作者设计了一座由两部分相互作用构成的四层钢框架。外部框架置于摆式隔震器上，提供正刚度，而较重的中央块则由铰端柱支撑，作为倒摆。使用商用结构软件的数值模拟表明，该配置可实现极长的等效周期——可比拟于由数十米高摆支撑的建筑，尽管实际摆长仅约一米。在强震下，建筑楼层加速度降至接近零的水平，位移仍保持适度。附加研究考察了系统周期对两部分质量比的敏感性、其防翻稳定性，以及如何用简单的机械或电子锁在风荷载或日常使用时将其锁定，仅在地震时释放。

这对未来建筑意味着什么

通俗地说，这项研究表明，通过将稳定的摆系统与有意设置的不稳定倒摆精心平衡，工程师可以创造在地震作用下异常“柔软”的建筑支撑，而无需高大、占空间的摆装置。建筑自身的重心核心成为保护机制的一部分，将负刚度从问题转变为工具。模型和模拟结果表明，这种混合隔震器能够显著减小结构在地震期间的震动和位移，同时保持稳定且实用。如能进一步开发并通过实验验证，这一方法可能催生新一代抗震建筑，使建筑在地面剧烈运动时仍显得几乎平静。

引用: Azizi, A., Barghian, M. Introducing the inverted pendulum as a negative stiffness mechanism and a novel structural system to improve seismic performance using a quasi-zero stiffness approach. Sci Rep 16, 14343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42589-7

关键词: 隔震, 负刚度, 摆系统, 地震工程, 振动控制