隔震建筑結(jié)構(gòu)設計

陳揚鵬

【摘要】在建筑結(jié)構(gòu)中加入隔震設計或是在已有建筑中加入隔震技術(shù)的改造將有助于降低建筑物特別是高層建筑在地震中的影響。

【關(guān)鍵詞】隔震技術(shù) 隔震設計

近代的基礎隔震技術(shù)基本上可分為兩大類,即彈性隔震和基礎滑動隔震。在彈性隔震中,疊層鋼板橡膠墊隔震技術(shù)應用最多。這類隔震方案主要是在房屋底層與基礎頂面之間增設一個側(cè)向剛度很低的隔震層,使在地震過程中整個結(jié)構(gòu)體系的周期變長,變形集中在底層,上部結(jié)構(gòu)基本上是剛性運動。但主要用于隔震水平地震動,對于豎向震動則幾乎沒有隔離作用;另一方面,這種隔震體系實際上是在地震時對上部結(jié)構(gòu)起著低通濾波的作用,地震中的中高頻成分幾乎全部可以濾掉,但并不能完全避免結(jié)構(gòu)共振。

1 隔震技術(shù)

隔震技術(shù)不僅在新建工程中獲得應用,而且已用于現(xiàn)有建筑的抗震加固改造。隔震裝置可安裝在結(jié)構(gòu)的防火層或設備層,隔震層可設置在結(jié)構(gòu)的不同部位,如基礎、中間層等,也可設置在房屋的頂層,同時起到結(jié)構(gòu)加層和抗震加固的目的。由于傳統(tǒng)的加固改造技術(shù)對結(jié)構(gòu)震后的性能和不可靠程度缺乏準確地了解,故較難達到強度和延性的合理匹配。采用隔震技術(shù)對結(jié)構(gòu)進行加固改造,通過在隔震層設置剛度很小的隔震裝置,將地震變形集中到隔震裝置上,相對于依靠結(jié)構(gòu)本身的較高強度和較低變形來吸引地震能量而言,隔震結(jié)構(gòu)的周期和阻尼都有很多的提高,故加速度和位移反應明顯降低。同時,耗能減震加固改造技術(shù),智能材料加固改造技術(shù),以及吸振減震加固改造技術(shù)等開辟了房屋加固改造的新途徑。

2 隔震建筑的形式

2.1基礎隔震

基礎隔震是建筑抗震新技術(shù)家族中的佼佼者,大量試驗研究及多次強震實踐表明,基礎隔震以其極少的投資換取很大的安全系數(shù)?；A滑動隔震效果受地面運動頻率特性的影響較小,幾乎不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

所謂基礎隔震,就是在建筑物的基礎與上部結(jié)構(gòu)之間增設高度很矮, 具有足夠可靠性的隔震層,控制地面運動向上部結(jié)構(gòu)傳遞,地震時其能量可反饋到地面或由隔震層吸收,以大大減小結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的地震反應,確保建筑物的整體安全,其內(nèi)部設備不發(fā)生破壞或喪失使用功能,室內(nèi)人員不遭受傷害也不會有強烈震感。同時,還可防止結(jié)構(gòu)內(nèi)部的次生災害。主震后無需避震疏散,即使發(fā)生罕遇大震隔震房屋也不會倒塌。

在其中使用的橡膠隔震墊不僅有良好的隔震性能,而且該技術(shù)在造價方面也有其優(yōu)越性。隔震結(jié)構(gòu)與一般結(jié)構(gòu)相比,費用增加的部分包括:隔震構(gòu)件、隔震層上面的樓面、設備管道的柔性接頭及相應的設計費用和施工費用。如果上部結(jié)構(gòu)仍然按傳統(tǒng)的抗震設計,其總工程費用略有增加。

采用基礎隔震設計上應注意:(1)在建筑物周邊,隔震層部分要比基礎大一圈,因此場地要寬裕;(2)隔震層的周圍設擋土墻,其上部有墻外狹道等,因此要確保地震時不因上部結(jié)構(gòu)的移動而帶來其它問題;(3)方便檢查和更換隔震裝置;(4)為使設備管線適應隔震層的位移和變形,常采用柔性連接或球型接點,但要考慮安放裝置及檢修的空間;(5)隔震建筑物與其它建筑物之間的聯(lián)系通道要適應相對變形,確保暢通無阻。

2.2中間層隔震

在基礎以上的中間樓層設置隔震層,下部結(jié)構(gòu)同普通建筑物一樣直接與地基接觸,因此它不存在基礎隔震建筑的底部體積和墻體數(shù)量問題,但隔震層以下的樓層需要做抗震處理。在市區(qū)場地不太寬裕時,可把隔震層設計在地面以上,在空中變形有利于節(jié)約用地,同時也能有效減少地基的挖土量。

采用中間層隔震,設計上應注意:(1)為適應隔震層的移動變形,該部分的建筑外墻應設水平縫,要考慮防水、隔音、防火等,也要注意立面的協(xié)調(diào)美觀;(2)解決樓梯、電梯井、機器升降、設備管線等貫穿隔震層的問題,并考慮防火區(qū)間的劃分;(3)便于檢查、更換隔震裝置及耐火材料等。隔震裝置布置和選取的一般原則為:(1) 隔震層具有適當?shù)乃絼偠?在強風作用下,隔震層具有足夠的初始剛度,在較大地震作用時,隔震層產(chǎn)生柔性變形,能大大減小水平地震作用;(2) 隔震層的水平剛度中心宜與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心基本一致;(3) 隔震裝置具有足夠的豎向承載力和水平變形能力,在發(fā)生大震時,可安全穩(wěn)定地支撐建筑物,不會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,能發(fā)揮隔震功能;(4) 隔震裝置具有良好的自動復位功能,在發(fā)生大震后,可基本復位到初始位置,當發(fā)生余震時,可繼續(xù)有效發(fā)揮隔震作用;(5) 隔震裝置具有較大的豎向剛度,在設計豎向荷載作用下,豎向位移被控制在允許值以下;(6) 隔震裝置的剛度和阻尼具有較好的穩(wěn)定性,在可能出現(xiàn)的荷載和溫度范圍以內(nèi),其變化較小;(7) 具有良好的耐久性,具有良好的抗老化、抗疲勞、抗徐變等性能,在建筑物的使用期內(nèi)能有效發(fā)揮隔震作用。

3 隔震結(jié)構(gòu)控制理論

一種新的隔震設計理論—結(jié)構(gòu)控制和控制結(jié)構(gòu)理論。結(jié)構(gòu)控制主要研究結(jié)構(gòu)工程中控制裝置的設計理論、方法及其實施,控制結(jié)構(gòu)是根據(jù)給定的條件將結(jié)構(gòu)和控制裝置作為一個整體進行優(yōu)化設計。

主動控制由于制約因素多、造價昂貴等原因,應用研究尚處于開創(chuàng)階段。被動控制特別是其中基礎隔震技術(shù)的研究,已經(jīng)逐漸成熟,在工程應用中日漸廣泛。所謂基礎隔震,就是在結(jié)構(gòu)底部與基礎頂面之間設置隔震層,使上部結(jié)構(gòu)與固結(jié)于地基中的基礎分離,阻隔地震波向上部結(jié)構(gòu)的傳播,使得輸入結(jié)構(gòu)的能量或反饋入地基土層或被耗能元件吸收,從而大大減少結(jié)構(gòu)的地震反應,保證建筑物的安全,乃至正常使用功能。

4 隔震建筑經(jīng)濟性

隔震建筑在振動性能和抗震安全性方面提高了建筑結(jié)構(gòu)的附加價值。因此,與以往建筑比較時,應考慮附加價值進行綜合評價。在考慮隔震建筑的造價時,不僅要考慮其初始造價,還要考慮其使用階段期間遭受地震損壞的維修、重建、內(nèi)部物品的損壞和經(jīng)濟損失,在此意義上,隔震建筑具有很好的經(jīng)濟性。

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