結(jié)構(gòu)抗震與結(jié)構(gòu)減震的比較

高飛劍，耿 歐，鄭靖靖

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

為了防御地震災(zāi)害，減輕地震損失，20世紀(jì)初一些國(guó)家對(duì)地震預(yù)報(bào)、工程抗震、地震控制等方面進(jìn)行了一系列研究，其中工程抗震認(rèn)為是一項(xiàng)切實(shí)有效的措施，其目的是尋求最合理的抗震設(shè)計(jì)，使在地震時(shí)能夠保證結(jié)構(gòu)物的安全，這是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想。

隔震的概念早在19世紀(jì)已有人提過(guò)，廣義的隔震方案則更是源淵流長(zhǎng)，如北京故宮就設(shè)有糯米加石灰的柔性減震支座層;現(xiàn)代的基礎(chǔ)隔震理論和實(shí)踐開(kāi)始于上世紀(jì)70年代，基礎(chǔ)隔震方案很多［1］。

J.A.Calantarients于1909年提出的隔震結(jié)構(gòu)(Base－isolated building)方案。這種隔震結(jié)構(gòu)在建筑物結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間用滑石(云母)層隔開(kāi)，地震時(shí)建筑物可以滑動(dòng)，如圖1所示

圖1 隔震建筑物

中村太郎于1927年提出的隔震結(jié)構(gòu)方案。在這種隔震系統(tǒng)中已使用阻尼泵來(lái)耗散地震動(dòng)的能量，并且在該建筑地下層柱的上下端采用鉸接構(gòu)造，建筑物可以水平自由移動(dòng)。如圖2所示

圖2 隔震系統(tǒng)

1972年美籍華裔學(xué)者姚治平(J.T P Yao)教授撰文第一次明確提出了土木工程結(jié)構(gòu)控制的概念，30年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在結(jié)構(gòu)控制的理淪、方法、試驗(yàn)和工程應(yīng)用等方面取得大量的研究成果。結(jié)構(gòu)控制的概念可以簡(jiǎn)單表述為:通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)附加控制機(jī)構(gòu)或裝置，由控制機(jī)構(gòu)或裝置與結(jié)構(gòu)共同承受振動(dòng)作用，以調(diào)諧和減輕結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，使它在外界干擾作用下的各項(xiàng)反應(yīng)值被控制在允許范圍內(nèi)。

抗震結(jié)構(gòu)利用結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的承載力和變形能力抵御地震作用，吸收地震能量。立足于“抗”;隔震結(jié)構(gòu)在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置滑移層，阻止地震能量向上傳遞，立足于“隔”。

1 結(jié)構(gòu)抗震原理與結(jié)構(gòu)減震原理的比較

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震［2］基本原理是:通過(guò)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的抗震性能(強(qiáng)度、剛度、延性)來(lái)抵御地震作用的，即由結(jié)構(gòu)本身儲(chǔ)存和消耗地震能量?？梢哉f(shuō)這是被動(dòng)消極的抗震對(duì)策。由于人們尚不能準(zhǔn)確地估計(jì)未來(lái)地震災(zāi)害作用的強(qiáng)度和特性，按照傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不具備自我調(diào)節(jié)的能力。因此，結(jié)構(gòu)很可能不滿足安全性研究而產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞和倒塌，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡;當(dāng)今結(jié)構(gòu)減震原理隔震的原理就是通過(guò)設(shè)置隔震裝置系統(tǒng)形成隔震層，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的阻尼，使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減少，同時(shí)使結(jié)構(gòu)的位移集中于隔震層，上部結(jié)構(gòu)像剛體一樣，自身相對(duì)位移很小，結(jié)構(gòu)基本上處于彈性工作狀態(tài)。

2 結(jié)構(gòu)抗震與結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法的比較

傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法［2］以概率理論為基礎(chǔ)，提出三水準(zhǔn)的設(shè)防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。并通過(guò)兩個(gè)階段設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn):第一階段設(shè)計(jì)采用第一水準(zhǔn)烈度的地震動(dòng)參數(shù)，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，能夠滿足承載力和彈性變形的要求;第二階段設(shè)計(jì)采用第三水準(zhǔn)烈度的地震動(dòng)參數(shù)，結(jié)構(gòu)處于彈塑性狀態(tài)，要求具有足夠的彈塑性變形能力，但又不能超過(guò)變形限值，使建筑物“裂而不倒”。然而，結(jié)構(gòu)物要終止在強(qiáng)震或大風(fēng)作用下的振動(dòng)反應(yīng)(速度、加速度和位移)，必然要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換或耗散。傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系實(shí)際上是依靠結(jié)構(gòu)及承重構(gòu)件的損壞消耗大部分輸入能量，往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重破壞甚至倒塌，這在一定程度上是不合理也是不安全的;結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)是指在房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能裝置，通過(guò)其局部變形提供附加阻尼，以消耗輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期設(shè)防要求。具體說(shuō)，就是把結(jié)構(gòu)的某些構(gòu)件(如支撐、剪力墻、連接件等)設(shè)計(jì)成消能桿件，或在結(jié)構(gòu)的某些部位(層間空間、節(jié)點(diǎn)、連接縫等)安裝消能裝置，在小風(fēng)或小震下，這些消能桿件(或消能裝置)和結(jié)構(gòu)共同工作，結(jié)構(gòu)本身處于彈性狀態(tài)并滿足正常使用要求;在大震或大風(fēng)下，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，消能桿件或消能裝置產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振能量，使結(jié)構(gòu)的動(dòng)能或者變形能轉(zhuǎn)化成熱能等形式耗散掉，迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振反應(yīng)，使主體結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài)(結(jié)構(gòu)仍然處于彈性狀態(tài)或者雖然進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，但不發(fā)生危及生命和喪失使用功能的破壞)。

為了克服傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法的缺陷，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)(簡(jiǎn)稱“結(jié)構(gòu)控制”)逐漸發(fā)展起來(lái)，并被認(rèn)為是減輕結(jié)構(gòu)地震和風(fēng)振反應(yīng)的有效手段。結(jié)構(gòu)消能減震(又稱“消能減振”)技術(shù)就是一種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)首次以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的形式對(duì)房屋消能減震設(shè)計(jì)這種抗震設(shè)防新技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)做出了規(guī)定，標(biāo)志著消能減震技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)由科學(xué)研究走向了推廣應(yīng)用階段。

結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)的研究來(lái)源于對(duì)結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)的能量轉(zhuǎn)換的認(rèn)識(shí)，1995年，美國(guó)Reinhorn等就Taylor公司生產(chǎn)的粘滯阻尼器做了相似比為1∶3的三層鋼筋混凝土框架實(shí)驗(yàn)。模型見(jiàn)下圖3.每層樓板重120 kN，厚50.8 mm。樓板由76.2 mm×76.2 mm的梁支撐，梁端下為101.6 mm×101.6 mm 的方柱［3］。

圖3 三層鋼筋混凝土框架實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3 抗震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)設(shè)防目標(biāo)的比較

傳統(tǒng)抗震設(shè)防目標(biāo)提出了三水準(zhǔn)的設(shè)防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。并通過(guò)兩個(gè)階段設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn):第一階段設(shè)計(jì)采用第一水準(zhǔn)烈度的地震動(dòng)參數(shù)，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，能夠滿足承載力和彈性變形的要求;第二階段設(shè)計(jì)采用第三水準(zhǔn)烈度的地震動(dòng)參數(shù)，結(jié)構(gòu)處于彈塑性狀態(tài)，要求具有足夠的彈塑性變形能力，但又不能超過(guò)變形限值，使建筑物“裂而不倒”。

對(duì)于減震結(jié)構(gòu)，新規(guī)范［4］對(duì)其抗震設(shè)防目標(biāo)只有如下的原則規(guī)定:“采用隔震或消能減震設(shè)計(jì)的建筑，當(dāng)遭遇到本地區(qū)的多遇地震影響、抗震設(shè)防烈度地震影響和罕遇地震影響時(shí)，其抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)高于本規(guī)范第1.0.1條的規(guī)定?！边@里明確了消能減震建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)高于一般依靠自身強(qiáng)度及變形能力(延性)來(lái)抗御地震的建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)。

根據(jù)對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)減震能力的系列研究、考慮不同工程情況可能的不同要求以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并參考傳統(tǒng)建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)的要求，為了促進(jìn)消能減震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步與在工程中的實(shí)施，文獻(xiàn)［5］提出減震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)可具體化為如下A、B、C三類。

(1)A目標(biāo)?？拐鹪O(shè)防目標(biāo)與現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)相同。這個(gè)設(shè)防目標(biāo)要求“小震不壞，中震可修，大震不倒”。由于不同原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)在多遇地震下尚不能滿足規(guī)范要求，或需采取明顯不合理的過(guò)分加強(qiáng)措施才能滿足規(guī)范要求，以及既有建筑抗震加固要求設(shè)防目標(biāo)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)一致時(shí)，結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成這類設(shè)防目標(biāo)的減震結(jié)構(gòu)。

(2)B目標(biāo)。當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用;當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震影響時(shí)，可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。這個(gè)設(shè)防目標(biāo)要求“中震不壞，大震可修”。多數(shù)減震結(jié)構(gòu)可按照這個(gè)設(shè)防目標(biāo)設(shè)計(jì)。

(3)C目標(biāo)。當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震影響時(shí)，一般不受損壞或不需修理或經(jīng)簡(jiǎn)單修理可繼續(xù)使用。這個(gè)設(shè)防目標(biāo)要求“大震不壞”。對(duì)于消能減震要求更高的減震建筑及在較低設(shè)防烈度地震區(qū)，可采用這類設(shè)防目標(biāo)。

上述設(shè)防目標(biāo)對(duì)于框架結(jié)構(gòu)完全適用，而且更易于實(shí)現(xiàn)。研究和工程實(shí)踐均表明，設(shè)置阻尼器的減震結(jié)構(gòu)在技術(shù)上使建筑在地震作用下達(dá)到上述抗震設(shè)防目標(biāo)B、C是可能的。這樣的設(shè)防目標(biāo)可使結(jié)構(gòu)在抗御罕遇地震作用時(shí)基本上不產(chǎn)生大的損壞，在震后可以使生命線建筑(即地震時(shí)不能中斷使用的建筑)以及大批重要建筑繼續(xù)有效工作，發(fā)揮其應(yīng)有的作用，從而使整個(gè)城市不致在震后癱瘓，與傳統(tǒng)的大震不倒的要求相比，可保留并延續(xù)建筑和城市的生命，從而為國(guó)家和社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 框架結(jié)構(gòu)抗震與減震的設(shè)計(jì)要點(diǎn)的比較

4.1 框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)［6］要點(diǎn)

(1)框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，主要是結(jié)構(gòu)自振周期的確定;(2)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計(jì)算，包括多遇烈度下的地震反應(yīng)與結(jié)構(gòu)側(cè)移計(jì)算;(3)結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力分析;(4)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面抗震設(shè)計(jì)。

4.2 框架結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)［6］要點(diǎn)

(1)提出框架結(jié)構(gòu)消能減震后的預(yù)期變形;(2)確定結(jié)構(gòu)需要消能器提供的附加阻尼;(3)設(shè)計(jì)消能器的類型、數(shù)量和布置;(4)對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體的分析，達(dá)到滿足變形控制要求;(5)設(shè)計(jì)消能部件及其與主體結(jié)構(gòu)的連接。

5 隔震橡膠支座簡(jiǎn)介

隔震橡膠［6］支座包括天然夾層橡膠支座、鉛芯橡膠支座，高阻尼橡膠支座等。

天然夾層橡膠支座具有較大的豎向剛度，承受建筑物的重量時(shí)豎向變形小，而水平剛度較小，且線性性能好。由于天然夾層橡膠支座的阻尼很小，不具備足夠的耗能能力，所以在結(jié)構(gòu)使用中一般同其它阻尼器或耗能設(shè)備聯(lián)合使用。

鉛芯隔震橡膠支座由新西蘭的ROBINSON及其公司最早研制開(kāi)發(fā)，以后在中國(guó)、日本、美國(guó)、意大利等國(guó)家都得到了較大的發(fā)展與應(yīng)用。

鉛芯橡膠支座［7］不但具有較理想的豎向剛度，而且本身具有消耗地震能量的能力，故鉛芯橡膠支座在結(jié)構(gòu)使用中受到廣泛歡迎。

6 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)抗震的設(shè)計(jì)思想主要是依靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的強(qiáng)度和延性來(lái)抵抗地震作用及吸收地震能量，這種設(shè)計(jì)方法是讓結(jié)構(gòu)自身承受較大的地震力。在抗震設(shè)防區(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循:強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)結(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)壓弱拉的基本原則，可以保證結(jié)構(gòu)的整體性，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌，但是對(duì)組成結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件來(lái)講，其吸收地震能量進(jìn)而發(fā)生構(gòu)件破壞的結(jié)果是必然的。因此，設(shè)置了隔震措施的建筑物要比傳統(tǒng)的抗震建筑物更加安全，建筑物中的隔震技術(shù)將被廣泛應(yīng)用。

［1］周錫元，吳育才.工程抗震新發(fā)展［M］.清華大學(xué)出版社，暨南大學(xué)出版社，2002

［2］柳炳康.工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)［M］.武漢理工大學(xué)出版社，2005

［3］魏璉，王森，鄭久建.粘滯阻尼減震框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法［OL］.水利工程網(wǎng)，http∥www.shuigong.com/papers/jianzhu/20060413/paper19503.shtml

［4］GB50011－2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［5］鄭久建.粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)分析方法及設(shè)計(jì)理論研究［D］.中國(guó)建筑科學(xué)研究院，2003

［6］王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.武漢理工大學(xué)出版社，2004

［7］吳彬，莊軍生，臧曉秋.鉛芯橡膠支座的非線性動(dòng)態(tài)分析力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2004，21(5):144－149