淺談建筑結(jié)構(gòu)的隔震減震技術(shù).docx

高層建筑結(jié)構(gòu)隔震減震技術(shù)研究焦?jié)暇├砉ご髮W(xué)理學(xué)院土木工程系摘 要 近年來(lái)高層建筑隔震減震技術(shù)理論和應(yīng)用進(jìn)展,主要包括隔震技術(shù)措施與減震技術(shù)措施，并分析了在隔震減震技術(shù)研究與應(yīng)用中所存在的問(wèn)題。關(guān)鍵詞 高層建筑結(jié)構(gòu)；隔震；減震；耗能裝置1 引言 地震是一種多發(fā)自然災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上平均每年發(fā)生造成嚴(yán)重破壞的地震約18次，每年平均有10000人死于地震中。我國(guó)是世界上地震多發(fā)的國(guó)家之一，發(fā)生過(guò)破壞性地震的城市占全國(guó)城市總數(shù)的10%以上，給人民的生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失。地震引起地面劇烈的顛簸和搖晃對(duì)房屋建筑特別是高層建筑會(huì)產(chǎn)生毀滅性的破壞。目前，城市建筑都朝著中高層建筑發(fā)展。因此，如何減少地震對(duì)高層建筑的影響是目前房建設(shè)計(jì)與施工所面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。為防止地震對(duì)建筑的危害，傳統(tǒng)的方法是采用抗震結(jié)構(gòu)體系，依靠結(jié)構(gòu)的承載力和變形能力，來(lái)耗散地震能量，使結(jié)構(gòu)免于倒塌。但由于它是一種“被動(dòng)防震”法，不免存在很多不足之處：1. 由于地震的不確定性，實(shí)際地震力有時(shí)超出設(shè)計(jì)地震力較多，從而使地震設(shè)計(jì)失效；2.地震力不是常值，它是隨結(jié)構(gòu)承載力和剛度的增大而加大，在高烈度區(qū)，單靠結(jié)構(gòu)的承載力和剛度來(lái)抵御地震是不經(jīng)濟(jì)的；3.結(jié)構(gòu)破壞后，不但造成重大經(jīng)濟(jì)損失，而且修復(fù)工作十分困難；4.隨著生產(chǎn)、辦公、生活的日益現(xiàn)代化，樓內(nèi)的儀器設(shè)備的價(jià)值有時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑物本身的造價(jià)，良好的抗震設(shè)計(jì)即使保住了建筑物本身，但劇烈的震動(dòng)使儀器設(shè)備中斷工作，甚至遭到破壞1。建筑隔震減震技術(shù)作為一種新型的抗震防災(zāi)技術(shù)能大大提高高層建筑的抗震能力，已經(jīng)在1994年美國(guó)圣費(fèi)南爾多地震、1995年日本阪神地震中得到驗(yàn)證，并且表現(xiàn)出了良好的效果。本文對(duì)目前高層建筑隔震減震技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)此展開(kāi)研究，指出存在的不足之處。2 隔震技術(shù)措施 地震對(duì)建筑物的破壞作用，是由于地面運(yùn)動(dòng)激發(fā)建筑物強(qiáng)烈振動(dòng)所造成的，也就是說(shuō)，破壞的能量來(lái)自地面，通過(guò)基礎(chǔ)向上部結(jié)構(gòu)傳遞。人們總結(jié)地震經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地震時(shí)結(jié)構(gòu)底部的有限滑動(dòng)能大幅度地減輕上部結(jié)構(gòu)的破壞程度，因此在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間以及上部建筑層間設(shè)置隔震層,利用軟弱隔震層的大變形來(lái)減少地震能量的輸入，減少地震地面運(yùn)動(dòng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響（隔震一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應(yīng)降低60%左右）,從根本上減少地震對(duì)人身安全、建筑物及其室內(nèi)重要設(shè)備的破壞，以達(dá)到防震的目的。隔震措施主要包括基礎(chǔ)隔震和層間隔震?；诳蓜?dòng)概念的基礎(chǔ)隔震方案主要有以下幾種：（1）軟墊式隔震軟墊式隔震（見(jiàn)圖1）是在房屋底部設(shè)置若干個(gè)帶鉛芯的鋼板橡膠塊隔震裝置，使整個(gè)房屋坐落在軟墊上。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，在結(jié)構(gòu)底部設(shè)置軟墊式隔震裝置的樓房在遭遇地震時(shí)，樓房底面和地面之間產(chǎn)生相對(duì)水平位移，房屋自振周期加長(zhǎng)，主要變形都發(fā)生在軟墊處，上部結(jié)構(gòu)層間側(cè)移變得很小，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)免遭破壞。（2）滑移式隔震滑移隔震體系是指在上部結(jié)構(gòu)和建筑物基礎(chǔ)之間設(shè)置一個(gè)滑移面，并在滑移面上使用摩擦系數(shù)較小的摩擦材料（鋼珠、石墨等），允許建筑物在發(fā)生地震時(shí)相對(duì)基礎(chǔ)作整體水平滑動(dòng)，使結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)解鎖，起到隔離地面運(yùn)動(dòng)的作用。同時(shí)建筑物在滑動(dòng)過(guò)程中通過(guò)摩擦耗散了地震能量，有效限制能量向上傳遞和向下反饋，從而達(dá)到減震的效果。（3）擺動(dòng)式隔震擺動(dòng)式隔震是將基礎(chǔ)支撐在可擺動(dòng)的短柱群或樁基上，或者將基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成底部呈球狀的整體，并在基礎(chǔ)側(cè)面采用圓形彈簧作為阻尼器3。在地震作用下，基礎(chǔ)可產(chǎn)生一定的傾向和擺動(dòng)，即以低的剛度控制結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，延長(zhǎng)自振周期，從而減輕地震作用。此種擺動(dòng)隔震方式實(shí)際上是柔性底層概念的改進(jìn)和引伸。（4）懸吊式隔震懸吊式隔震是將整個(gè)結(jié)構(gòu)物懸掛在巨型鋼架或鋼筋混凝土內(nèi)筒上，地震時(shí)，懸掛物和支撐協(xié)同工作，從而大幅度減少建筑物所受到的地震慣力。其中應(yīng)用最廣泛的是多層懸掛樓板結(jié)構(gòu)，主要用于公共和生活建筑。層間隔震是結(jié)構(gòu)隔震與抗震相結(jié)合的一種方法，它是在原結(jié)構(gòu)上安裝由質(zhì)量和隔震支座組成的耗能減震裝置，地震時(shí)，耗能減震機(jī)構(gòu)吸收并消耗地震能量，從而減小原結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。上部隔震部分結(jié)構(gòu)對(duì)下部抗震部分也具有反作用。它的減震效果一般在1040之間，顯然它的減震效果不及基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，但它可利用結(jié)構(gòu)的加層或原結(jié)構(gòu)的隔熱層，做適當(dāng)?shù)母慕?，從而達(dá)到減震目的。所以這是一種簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的方法，在增加少量投資的同時(shí)，大大提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，適用于舊房加層和抗震加固結(jié)構(gòu)。層間隔震常用的支座是橡膠支座，可提高彈性回復(fù)力2。3減震技術(shù)措施結(jié)構(gòu)減震技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種合理、有效、安全、經(jīng)濟(jì)的工程抗震方法。這種方法徹底改變傳統(tǒng)“強(qiáng)化”結(jié)構(gòu)的抗震思想，把結(jié)構(gòu)的某些非承重構(gòu)件設(shè)計(jì)成耗能元件，通過(guò)摩擦、剪切變形或材料的塑性變形來(lái)消耗地震能量，以減小主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)或減輕其破壞，達(dá)到減震控制的目的。目前，在實(shí)際建筑工程中應(yīng)用較多的減震措施主要有三種：（1）提高結(jié)構(gòu)阻尼結(jié)構(gòu)的彈性地震反應(yīng)，是結(jié)構(gòu)阻尼和周期的函數(shù)。它隨結(jié)構(gòu)阻尼比的增大和自震周期的加長(zhǎng)而減小。結(jié)構(gòu)阻尼對(duì)于消減最大共振反應(yīng)極為有效。結(jié)構(gòu)的阻尼是隨所有材料、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、地基土質(zhì)和振動(dòng)性質(zhì)而變化，在高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用具有較大阻尼結(jié)構(gòu)類(lèi)型和體系。同時(shí)為了提高結(jié)構(gòu)的阻尼，也可以在結(jié)構(gòu)上設(shè)置阻尼器以吸收地震輸入能量，減少結(jié)構(gòu)的變形。（2）采用高延性構(gòu)件一個(gè)建筑耐震與否，主要取決于這個(gè)結(jié)構(gòu)的“能量吸收與耗散”能力的大小，而它又取決于結(jié)構(gòu)延性的大小，也就是說(shuō)，結(jié)構(gòu)的抗震能力是由承載力和變形能力兩者共同決定的。地震反應(yīng)分析的著眼點(diǎn)應(yīng)該是變形能力，當(dāng)?shù)卣鹆_(dá)到結(jié)構(gòu)屈服抗力以后，目前高層建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中主要采用強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件與強(qiáng)化梁柱塑性鉸的方法來(lái)提高建筑結(jié)構(gòu)的延性。（3）附設(shè)耗能裝置 耗能減震技術(shù)主要通過(guò)在結(jié)構(gòu)的某些部位增設(shè)耗能器或耗能部件,為結(jié)構(gòu)提供一定的附加剛度或附加阻尼,在地震作用下主要通過(guò)耗能部件來(lái)耗散輸入結(jié)構(gòu)的能量,以減輕結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng),從而更好地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)安全,是一種有效、安全、經(jīng)濟(jì)且日漸成熟的工程減震技術(shù)。目前開(kāi)發(fā)的耗能裝置主要有金屬耗能器金屬耗能器、摩擦耗能器、粘彈性耗能器、粘滯耗能器。前兩種耗能器的耗能特性主要與耗能器兩端的相對(duì)位移有關(guān),稱(chēng)為位移相關(guān)型耗能器(或滯變型耗能器),后兩種耗能器的耗能特性主要與耗能器兩端的相對(duì)速度有關(guān),稱(chēng)為速度相關(guān)型耗能器。此外,研究人員還結(jié)合以上各類(lèi)耗能器的耗能機(jī)制和特性,研究開(kāi)發(fā)了具有多種耗能機(jī)制的復(fù)合型耗能器44存在的問(wèn)題（1）盡管隔震技術(shù)己取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但由于其會(huì)使結(jié)構(gòu)的固有周期延長(zhǎng)，在軟弱場(chǎng)地和下部結(jié)構(gòu)變形過(guò)大的情況下應(yīng)慎用。 （2）豎向地震荷載對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響尚不十分清楚，隔震裝置在豎向地震作用下的反應(yīng)還有待進(jìn)一步探討，大跨度結(jié)構(gòu)采用隔震裝置的地震反應(yīng)需深入研究。 （3）阻尼器及耗能器的性能還有待加強(qiáng)，減震技術(shù)與新型、復(fù)雜、特殊結(jié)構(gòu)的結(jié)合,形成新的減震結(jié)構(gòu)體系還需進(jìn)一步探索。 （4）高層建筑隔震減震量測(cè)技術(shù)和實(shí)用化分析技術(shù)還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。5 結(jié)語(yǔ) 隔震與減震技術(shù)已日益趨于成熟將成為建筑抗震控制的主體，今后的研究可以集中在標(biāo)準(zhǔn)化、優(yōu)化設(shè)計(jì)、細(xì)部構(gòu)造、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和完善方向，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)應(yīng)以低價(jià)、高效呵呵、高性能為目標(biāo)，為減輕地震災(zāi)害提供新的技術(shù)和方法，也將使我們?cè)诟粽鸷蜏p震方面技術(shù)面向世界先進(jìn)水平方向發(fā)展。參考文獻(xiàn)1劉大海.高層建筑抗震設(shè)計(jì)M.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993. 2周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制M.北京:地震出版社.1977. 3姚謙峰