建筑結(jié)構(gòu)隔震減震技術(shù)研究

洪鑫

0 引言

地震是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，唐山地震、汶川地震、智利地震等一系列大地震產(chǎn)生的震動(dòng)無論從力度、能量、破壞、災(zāi)害諸方面來說是最嚴(yán)重的，給人們帶來了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。地震中建筑物的大量破壞與倒塌，是造成地震災(zāi)害的直接原因。所以工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的目的是減輕結(jié)構(gòu)的地震破壞，避免人員傷亡，減少經(jīng)濟(jì)損失。

傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身性能來抵御地震作用，由結(jié)構(gòu)本身儲(chǔ)存和消耗能量來滿足結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防要求。但人們不能準(zhǔn)確地估計(jì)結(jié)構(gòu)未來可能遭遇的地震的強(qiáng)度和特性，結(jié)構(gòu)的抗震性能不具備自我調(diào)節(jié)與自我控制能力，因此在這種不確定性的地震作用下，結(jié)構(gòu)不能滿足安全性的要求，而隔震、耗能減震與其他結(jié)構(gòu)控制技術(shù)卻能為結(jié)構(gòu)控制提供有效、經(jīng)濟(jì)、簡單、可靠的抗震方法。它通過在結(jié)構(gòu)上設(shè)置控制機(jī)構(gòu)，由控制機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)共同控制、抵御地震等動(dòng)力荷載，使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)減小。在地震工程中，隔震減震大大降低了地震的作用，能有效控制地震災(zāi)害，因此，隔震與減震相結(jié)合確實(shí)是一種不錯(cuò)的發(fā)展趨勢。

如今許多國家采用的諸多結(jié)構(gòu)抗震裝置系統(tǒng)，有些是以隔震為目的，有些是以減震為目的，也有些是以隔震、減震組合效應(yīng)為目的。無論采用哪種原理，其目的都是為了減輕和消弱地震能。隨著社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)結(jié)構(gòu)物提出了比以往更嚴(yán)格的抗震安全性和適用性要求，而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)消極抗震設(shè)計(jì)方法，越來越難于滿足這些要求。為此，各國地震工程學(xué)家一直在尋求新的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)途徑，以隔震、減震、制震技術(shù)為特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐，便是這種努力的結(jié)果。

1 隔震

隔震的原理：隔震是通過某種裝置，將震源與結(jié)構(gòu)隔開，其作用是減弱或改變地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)作用的強(qiáng)度和方式，以此達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。隔震技術(shù)的分類：隔震技術(shù)的分類方法多種多樣，按固定或絕緣的方法，在地基和上部結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行分類，具體可根據(jù)其對(duì)象不同分為3類。

1.1 地基隔震

地基隔震分為絕緣和屏蔽兩種：

1)絕緣是希望在地基自身中降低輸入波的方法，從而達(dá)到隔震的目的，軟弱地基或像人工地基那樣較軟的地基有降低輸入加速度的性質(zhì)。高剛性基礎(chǔ)則還可利用地下逸散減震。

2)屏蔽是在建筑物周圍挖深溝或埋入屏蔽板等將卓越長周期的剪切波(S波)隔斷的方法，但這種方法不能屏蔽直下型輸入波。

1.2 基礎(chǔ)隔震

所謂基礎(chǔ)隔震是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間安裝隔震系統(tǒng)，將基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)隔離開來，以減小水平地面運(yùn)動(dòng)向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，從而達(dá)到減小上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的?？煞譃橹芷谘娱L、能量吸收和絕緣等方法。

1.3 上部結(jié)構(gòu)隔震

上部結(jié)構(gòu)的隔震方法分為能量吸收和附加振動(dòng)體兩種形式。能量吸收型是在建筑物的任意層設(shè)置彈塑性阻尼器、粘性體阻尼器、油阻尼器或摩擦阻尼器等各種阻尼器以吸收地震能量。附加振動(dòng)體形式則是在建筑物的任意層上加設(shè)振動(dòng)體，構(gòu)成新的振動(dòng)體系，將振動(dòng)由結(jié)構(gòu)物本身向附加振動(dòng)體轉(zhuǎn)移。

2 減震

減震的原理：減震是根據(jù)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)，主動(dòng)給結(jié)構(gòu)施加控制力，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。從控制理論的觀點(diǎn)看，結(jié)構(gòu)減震方法又可分為兩大類：

1)被動(dòng)控制方法。這種方法無外部能源供給，也稱無源控制技術(shù)。包括隔震技術(shù)和減震技術(shù)(如抗震消能技術(shù)等)。

2)主動(dòng)控制方法。這種方法有外部能源供給，也稱有源控制技術(shù)。

目前實(shí)際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)抗震方法有隔震、減震，其中以隔震方法應(yīng)用最廣。這兩種方法的研究和應(yīng)用開始于20世紀(jì)60年代，70年代以來發(fā)展很快。這些積極的結(jié)構(gòu)抗震方法與傳統(tǒng)的消極抗震方法相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)能大大減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形，保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不受地震破壞，從而減少震后維修費(fèi)用，對(duì)于典型的現(xiàn)代化建筑，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如玻璃幕墻、飾面、公用設(shè)施等)的造價(jià)甚至占整個(gè)房屋總造價(jià)的80%以上。

2)能大大減小結(jié)構(gòu)所受的地震作用，從而降低結(jié)構(gòu)造價(jià)，提高結(jié)構(gòu)抗震的可靠性。此外，隔震方法能夠較為準(zhǔn)確地控制傳到結(jié)構(gòu)上的最大地震力，從而克服了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)難以準(zhǔn)確確定荷載的困難。

3)隔震、減震裝置即使震后產(chǎn)生較大的永久變形或損壞，其復(fù)位、更換或維修也要比更換、維修結(jié)構(gòu)方便、經(jīng)濟(jì)。

4)用于高技術(shù)精密加工設(shè)備、核工業(yè)設(shè)備等的結(jié)構(gòu)物，只能用隔震、減震的方法滿足嚴(yán)格的抗震要求。

地震實(shí)踐、理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明，采用隔震結(jié)合消能減震技術(shù)建造的結(jié)構(gòu)在烈度為7度的地震中所受到的地震力，大致相當(dāng)于非隔震結(jié)構(gòu)在烈度為5.5度的地震中受到的地震力，結(jié)構(gòu)基本在彈性范圍內(nèi)工作，相應(yīng)降低了結(jié)構(gòu)的加速度、速度與位移反應(yīng)，從而減輕或消除了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞，更好地保護(hù)了結(jié)構(gòu)。同時(shí)，隔震和消能減震設(shè)計(jì)把非線性、大變形集中到一組構(gòu)件(隔震支座和阻尼器)上，這樣就可以把設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和制造的注意力集中到這些構(gòu)件上。由于結(jié)構(gòu)處于(或近似于)彈性變形狀態(tài)，結(jié)構(gòu)分析的方法可以簡化，分析更加可靠。

隔震減震技術(shù)的應(yīng)用使得今后設(shè)計(jì)的建筑可以在地震時(shí)保護(hù)結(jié)構(gòu)的框架和其他非結(jié)構(gòu)單元，保護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的設(shè)施、工業(yè)設(shè)備、人等的安全，使建筑物在地震后可以繼續(xù)使用。隔震技術(shù)改變了目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，可提供更多的設(shè)計(jì)方案供人們選擇。雖然這些技術(shù)尚在發(fā)展研究中，但其在工程結(jié)構(gòu)上廣泛的應(yīng)用前景還是相當(dāng)可觀的。

結(jié)構(gòu)減震控制的基本思想從提出到現(xiàn)在已有30余年的時(shí)間，相對(duì)于世界各國一直采用的延性設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)減震控制可以認(rèn)為是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的一次革命。日本、美國、中國以及我國臺(tái)灣地區(qū)的眾多學(xué)者，在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的理論研究與工程實(shí)踐工作，一度形成了百花齊放、百家爭鳴的局面。其中，日本在減震理論研究、設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品研發(fā)以及實(shí)際工程應(yīng)用等方面總體處于領(lǐng)先位置。結(jié)構(gòu)減震控制的基本原理多種多樣，減震裝置的類型名目繁多，減震控制方法已可應(yīng)用于絕大多數(shù)的結(jié)構(gòu)類型，從建筑到橋梁，從超高層結(jié)構(gòu)到多層結(jié)構(gòu)，從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)到鋼結(jié)構(gòu)。在眾多的減震技術(shù)中，研究比較成熟、經(jīng)得起實(shí)踐檢驗(yàn)的主要是隔震與消能減震技術(shù)。隔震技術(shù)的減震效果在所有的減震技術(shù)中是首屈一指的，但其應(yīng)用范圍也相對(duì)較窄，不太適用于超高層或高寬比較大的建筑，我國大陸最高的隔震建筑也只有19層。目前需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容包括：1)高層建筑的隔震設(shè)計(jì)方法;2)考慮土—基礎(chǔ)—結(jié)構(gòu)共同作用的隔震結(jié)構(gòu)受力分析; 3)高阻尼橡膠隔震支座、滑移支座的開發(fā)等。消能減震技術(shù)的減震效果一般不如隔震技術(shù)，但其適用范圍非常廣泛，目前需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容包括：1)消能減震結(jié)構(gòu)的實(shí)用設(shè)計(jì)方法;2)各類新型阻尼器的研制和標(biāo)準(zhǔn)化等。

3 結(jié)語

隔震與減震技術(shù)同傳統(tǒng)抗震體系相比，更加有效、安全、適用、可靠，并且可以降低造價(jià)，在突發(fā)性的地震中不破壞、不倒塌，既保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)本身，又保護(hù)建筑物內(nèi)部設(shè)備及人員安全，經(jīng)濟(jì)適用，將成為建筑抗震的主體，在工程中的應(yīng)用有著廣泛的前景。隔震減震技術(shù)作為一門新興應(yīng)用技術(shù)，具有十分良好的發(fā)展前景。

［1］ GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 徐立成，鐘 心，劉曉群，等.建筑結(jié)構(gòu)隔震減震技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.遼寧建材，2008(21)：73-74.

［3］ 李國強(qiáng)，李 杰，蘇小卒.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］ 豐定國，王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003.

［5］ 薛素鐸，趙 均.建筑抗震設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.