具有倾斜负刚度的摆柱作为一种新型混合隔震机制并入具有桩状特性的土体

为什么保护建筑免受震动很重要

地震会把日常建筑变成致命危险，尤其当它们坐落在软弱地基上时。长期以来，工程师一直在努力减缓建筑在剧烈震动中的损害，但大多数解决办法把建筑体与其下方的土体视为两个独立问题。本文介绍了一种同时应对两者的新型装置：它既能让建筑在地震中更温和地“承受”晃动，又能在松软土层中表现得像一根承载能力强的基础桩。

一种新的悬挂建筑方式

作者提出了一种称为带倾斜负刚度的摆柱（PC-INS）的系统。设想建筑的重力通过索缆悬挂在埋入地下的空心桩内，类似于从天花板上悬挂的摆。当地面移动时，悬挂的质量倾向于比下方的地面运动更慢、更平缓地摆动，因此建筑感受到的冲击更小。该装置的外部钢壳在外观和功能上类似于常规基础桩，将竖向荷载传递到更深、更坚实的土层，这使其在许多城市常见的弱地基上具有实用性。

朝相反方向的轻柔推力

单纯的摆仍有一定刚度，某些地震运动仍可能透过。为进一步软化这一特性，研究者在悬挂质量下方安装了一个受压的内构件——类似一根弹簧并且倾斜布置。该倾斜构件随着质量运动向上施力，在一定程度上抵消索缆的拉力。结果是在建筑正常位置附近出现“准零刚度”区：对于小到中等幅度的位移，系统几乎不提供阻力，因此很少将水平地震动传递到上部结构。团队推导了描述此类运动的详细方程，并指出必须如何调定质量、索长和压缩程度，以使系统在保持稳定的同时仍能提供强有力的隔震效果。

通过地震考验构想

为了检验PC-INS在真实条件下的表现，作者使用包括神户和诺斯里奇在内的五个知名地震记录进行了数值模拟。他们将采用新型桩的建筑与未采用隔震措施的类似建筑进行了比较。结果表明，使用PC-INS时，建筑的加速度降至非常低的水平，同时横向位移也被控制得很小——这与许多传统隔震器以降低加速度但换来更大漂移的情况不同。频域分析显示，得益于其准零刚度和非线性行为，系统即使在阻尼很小的情况下也能避免危险的共振峰值。能量计算进一步表明，进入建筑的地震能量更少，更多能量以悬挂质量高度变化的形式无害储存，而不是以梁柱的有害应变出现。

既帮助土体又保护结构

由于PC-INS被构建为嵌入土体的桩，作者还研究了它如何改变地基的响应。通过采用具有标准土体行为规律的二维和三维模型，他们将普通桩与该混合桩-隔震器在循环横向荷载下进行了比较。使用新系统时，周围土体中的应力和应变明显降低，变形在多次荷载循环中保持更均匀和稳定。当他们将这些桩纳入完整的建筑框架并以历史地震进行振动试验时，楼层漂移和基础剪力相比传统桩最多减少约80%。所得漂移值舒适地落在抗震设计规范设定的性能限度内，表明采用PC-INS的建筑在强震后仍可能保持可运行状态。

对更安全城市的意义

简言之，PC-INS系统让建筑“悬挂”在自身的基础桩内，同时一个巧妙受压的内构件悄然抵消重力的拉力。这一组合延长了建筑的固有周期，滤除了宽频带的地震频率，并限制了震动和横向摆动。同时，桩状外壳增强了弱土体并减少了地下损害。研究的数值模拟和校核结果表明，这一双重功能装置可能为地震多发地区，特别是在软土或填土地段使传统方案困难或成本高昂的场合，提供一种切实可行的新型保护手段。

引用: Azizi, A., Barghian, M. Pendulum column with inclined negative stiffness as a novel hybrid seismic isolation mechanism integrated into soil with pile-like characteristics. Sci Rep 16, 12238 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42674-x

关键词: 隔震, 抗震工程, 基础桩, 土-结构相互作用, 振动控制