淺談建筑物減震、隔震研究的現(xiàn)狀及展望

張俊強(qiáng)　劉志超

摘 要：本文介紹了減震、隔震的方法及其在我國(guó)建筑領(lǐng)域的應(yīng)用情況。指出了隔震和耗能減震亟待解決的問(wèn)題

關(guān)鍵詞：建筑物；隔震；現(xiàn)狀和展望

0 引言

各種震動(dòng)源，如爆炸、打樁、結(jié)構(gòu)物倒塌與地面撞擊、地震等都會(huì)引起震動(dòng)源附近結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)超過(guò)一定程度，會(huì)引起結(jié)構(gòu)物開(kāi)裂，地基沉降等，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的破壞，隨著人們生活水平的提高對(duì)居住環(huán)境的要求也更加嚴(yán)格，因此控制地震動(dòng)的大小是工程施工及設(shè)計(jì)部門(mén)的一大難題。

目前解決地震動(dòng)問(wèn)題的方法主要有以下兩種，第一種是減少震動(dòng)源的強(qiáng)度，這是主動(dòng)防護(hù)方法；對(duì)工程爆破，在不能減少一次爆破裝藥量的前提下，采用分段延時(shí)爆破技術(shù)可有效地減弱地震動(dòng)，對(duì)樁基施工問(wèn)題，采用靜壓或鉆孔的施工方法來(lái)代替錘擊或振動(dòng)沉管的施工方法，這樣可有效地控制地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)物的破壞，當(dāng)減少震動(dòng)源強(qiáng)度方法仍無(wú)法滿足附近結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)控制要求或震動(dòng)源不受人為控制時(shí)，常采用第二類(lèi)方法，即被動(dòng)防護(hù)的方法；其中最常用的主要有設(shè)置隔震溝等方法來(lái)減弱地震動(dòng)的大小。

1 結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)控制方法

地震發(fā)生時(shí)，地面的地震反應(yīng)引起結(jié)構(gòu)物的地震反應(yīng)。基礎(chǔ)固結(jié)于地面的建筑物，如同一個(gè)地面地震反應(yīng)的“放大器”，結(jié)構(gòu)物的地震反應(yīng)沿縱向從下到上逐級(jí)放大，如果結(jié)構(gòu)物某部分的地震反應(yīng)過(guò)大，可使建筑飾面、裝修等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件毀壞室內(nèi)昂貴儀器或設(shè)備遭受破壞，甚至使主體承重結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞或倒塌，為免上述震害，人們必須對(duì)結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)進(jìn)行控制。目前采用的主要方法有：

剛性結(jié)構(gòu)體系。它能大大增加結(jié)構(gòu)物的剛度，使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)接近地面地震反應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)體系較難實(shí)現(xiàn)，也很不經(jīng)濟(jì)。

柔性結(jié)構(gòu)體系。它能大大降低結(jié)構(gòu)物的剛度，使結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)減少，地震作用減少。但這種體系位移過(guò)大，使建筑裝飾等破壞嚴(yán)重，并且在風(fēng)荷載或輕微地震作用下剛度不足，影響正常使用，因此在很多情況下這種體系是不現(xiàn)實(shí)的。

延性結(jié)構(gòu)體系。它能適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，且具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)， 使結(jié)構(gòu)物裂而不倒，這也是目前世界各國(guó)普遍采用的抗震方法。這種方法在很多情況下是有效的，但也存在前述的局限性。

柔性底層結(jié)構(gòu)體系。它能保證結(jié)構(gòu)上部的剛度，減小結(jié)構(gòu)底層的剛度，使結(jié)構(gòu)底層在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)。震害表明，這種體系雖能減少上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，但底層柱列變形過(guò)大，破壞嚴(yán)重，甚至倒塌。

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)建筑物抗震設(shè)計(jì)的安全性和適用性提出了更為嚴(yán)格的要求，特別是工業(yè)向高精度技術(shù)發(fā)展，采用上述那些傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法有時(shí)不能適應(yīng)工程的實(shí)際需要，這樣，隔震體系、耗能減震體系及其它結(jié)構(gòu)控制體系就應(yīng)運(yùn)而生了。

2 目前常用隔震方法介紹

2.1 設(shè)置隔震溝

工程上常用的隔震溝有兩種即硬溝和軟溝。硬溝方法是在要防護(hù)方向設(shè)置一排樁來(lái)減弱地震動(dòng)，但此方法造價(jià)高，故工程上使用較少；軟溝是指在主要防護(hù)方向上挖掘一條地溝或人為制造的破碎帶，用來(lái)減弱地震動(dòng)，此方法簡(jiǎn)便易行且造價(jià)較低，但缺點(diǎn)是開(kāi)挖時(shí)會(huì)人為造成邊坡失穩(wěn)及附近土介質(zhì)沉陷的問(wèn)題，因此溝深不會(huì)太大，從而會(huì)影響減震效率。

2.2 設(shè)置橡膠墊隔震裝置

橡膠墊隔震裝置包括天然橡膠墊，標(biāo)準(zhǔn)多層橡膠墊，內(nèi)包阻尼體橡膠隔震墊，鉛芯橡膠隔震墊等。橡膠墊隔震技術(shù)已比較成熟，性能可靠、穩(wěn)定。橡膠墊隔震技術(shù)既適于新建結(jié)構(gòu)，也適于原有結(jié)構(gòu)物的抗震加固及震后修復(fù)； 既適于一般民用房屋，也適用于構(gòu)筑物、橋梁、鐵路及 地鐵等土木工程； 既適于砌體結(jié)構(gòu)，也適于框架結(jié)構(gòu)； 既適于多層建筑，也適于中高層建筑（≤20 層）。此外還可用于加層及移位建筑中。

2.3 滑移隔震

在房屋基礎(chǔ)底面處設(shè)置鋼摩擦滑板、石墨、砂料、涂層墊層及聚四氟乙烯（PTFE）等材料形成滑移層，使建筑物遭遇地震時(shí)，通過(guò)該處不連續(xù)介面的滑移錯(cuò)動(dòng)，部分地切斷地震波的傳播，限制上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。滑移隔震技術(shù)具有簡(jiǎn)單易行、造價(jià)低廉、性能穩(wěn)定、隔震效果受地面運(yùn)動(dòng)頻率特征影響較小和幾乎不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的隔震體系，特別適用于多層砌體結(jié)構(gòu)，因而在我國(guó)有廣闊的發(fā)展前景。

2.4 滾動(dòng)隔震

用高強(qiáng)合金制成的滾珠（滾軸）涂以防銹或潤(rùn)滑層后置于上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間，地震作用下，通過(guò)滾珠及滾軸滾動(dòng)而達(dá)到隔震的目的。滾動(dòng)隔震主要有雙向滾軸加復(fù)位消能裝置、滾球加復(fù)位消能裝置、滾球帶凹形復(fù)位板、碟形和圓錐形支座等幾種形式。研究表明，設(shè)計(jì)合理的滾動(dòng)支座具有良好的穩(wěn)定性、限位復(fù)位功能和顯著的隔震效果。

3 隔震和減震亟待解決的問(wèn)題

隔震和耗能減震都屬被動(dòng)控制系統(tǒng)，不需外部能源，一般只對(duì)某種設(shè)定的地震動(dòng)特性進(jìn)行控制，缺乏跟蹤和調(diào)節(jié)能力。目前對(duì)于隔震及減震亟待解決的問(wèn)題有：

隔震溝用于地震動(dòng)的被動(dòng)防護(hù)在工程中有許多問(wèn)題需要研究解決，如溝的寬度對(duì)隔震效率的影響，溝的深度與隔震效率之間的關(guān)系，溝的平面形狀對(duì)隔震效率的影響等等，所有這些問(wèn)題研究可以通過(guò)用理論研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法進(jìn)行，但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法介質(zhì)情況單一，試驗(yàn)過(guò)程控制困難，因此探討有效的理論研究方法將會(huì)成為隔震溝隔震機(jī)理研究的熱點(diǎn)。

隔震裝置、耗能減震裝置的研究與開(kāi)發(fā)： 一方面要對(duì)現(xiàn)有的隔震、耗能減震裝置進(jìn)行進(jìn)一步研究，消除其局限性，擴(kuò)大其適用范圍；另一方面要研究開(kāi)發(fā)新的、有效的、經(jīng)濟(jì)效益好的隔震、減震裝置

智能材料，如形狀記憶合金（SMA）在結(jié)構(gòu)減震中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究；智能化結(jié)構(gòu)抗震體系的研究。

隔震、減震裝置耐久性安裝、維修與更換的研究。

隔震、減震系統(tǒng)可靠性研究。

隔震、減震結(jié)構(gòu)體系的算法、簡(jiǎn)化方法和設(shè)計(jì)方法（規(guī)程）的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)建筑物進(jìn)行隔震、減震處理將會(huì)使得建筑結(jié)構(gòu)體系變得更加有效、安全、適用、可靠，并且可以降低造價(jià)，它們?cè)诠こ讨杏兄鴱V泛的應(yīng)用前景。可以預(yù)言隔震、減震技術(shù)將成為21世紀(jì)建筑結(jié)構(gòu)防震、減震的重要手段，必將為減輕不利震動(dòng)對(duì)人類(lèi)造成的危害作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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