建筑結(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐微探

張波

建筑結(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐微探

張波

地震主要是因地面運(yùn)動(dòng)，迫使地面原有靜止?fàn)顟B(tài)的建筑物遭受動(dòng)力作用而出現(xiàn)強(qiáng)迫振動(dòng)，進(jìn)而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)內(nèi)力與變形，通過動(dòng)力學(xué)剖析發(fā)現(xiàn)，具體是指經(jīng)由震害分析得以修正和補(bǔ)充，最終獲得建筑物基于地震作用形成的反應(yīng)機(jī)理和破壞形式，據(jù)此得出相應(yīng)的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)原則，具有良好的應(yīng)用效果。

眾所周知，一旦出現(xiàn)地震，將會(huì)帶來嚴(yán)重的后果，危及生命與財(cái)產(chǎn)安全，為盡可能地減少財(cái)產(chǎn)損失，人們加大了在建筑減隔震方面的探究。本文首先簡單剖析建筑減隔震結(jié)構(gòu)，然后介紹減隔震當(dāng)前的控制情況，最后探討未來的主要發(fā)展方向。

建筑減隔震簡析

通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)件整體的變形能力和強(qiáng)度來制衡地震反應(yīng)，可在較大程度上削弱地震，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還應(yīng)探究減隔震裝置，一旦出現(xiàn)地震，可讓構(gòu)件剝離于地震地面運(yùn)動(dòng)，以免有過多的能量傳送至建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)容，借此來實(shí)現(xiàn)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的有效保護(hù)。簡單來說，結(jié)構(gòu)減隔震除外可增強(qiáng)建筑物的整體抗震能力，也能夠縮減工程造價(jià)，并可增加工程效益。

減隔震技術(shù)的中心思想為通過不同的方法使得建筑主體結(jié)構(gòu)可與地面運(yùn)動(dòng)最大限度地分隔開。我們可借助結(jié)構(gòu)延長來躲避地震周期，進(jìn)而讓微小的地震能量傳送至建筑主體結(jié)構(gòu)，以此來控制地震損失。經(jīng)由相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，若結(jié)構(gòu)周期延長，則結(jié)構(gòu)位移會(huì)增加，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的挑戰(zhàn)。同時(shí)，因結(jié)構(gòu)柔性作用，還可能在基本狀態(tài)下出現(xiàn)有害震動(dòng)。為此，我們務(wù)必要全面管控有害震動(dòng)，最大限度地規(guī)避不良變形。另外，還可提升阻尼作用，利用結(jié)構(gòu)阻尼作用來吸收一定的地震能量，以此來削弱地震反應(yīng)，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

從減隔震技術(shù)的層面而言，一般可經(jīng)由三個(gè)途徑來提升減隔震效果，站在這三個(gè)途徑能夠把其劃分成地基隔震、上部隔震和基礎(chǔ)隔震，且同類型的隔震具有不同的特點(diǎn)，我們應(yīng)區(qū)別看待。

減隔震當(dāng)前的控制情況

積極抗震

通過震源產(chǎn)生震動(dòng)，再經(jīng)由傳播途徑傳送至結(jié)構(gòu)中，以此引發(fā)震動(dòng)反應(yīng)。針對(duì)不同階段采取對(duì)應(yīng)的震動(dòng)方法，便形成了積極抗震，主要包含下述四點(diǎn)內(nèi)容：

震源。消震為經(jīng)由震源震動(dòng)強(qiáng)度削弱來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)震動(dòng)控制，然而因地震源無法確定，外加規(guī)模龐大，截止到當(dāng)前，仍不具備可行的措施把震源強(qiáng)度降低到特定程度。

傳播途徑。隔震是利用某種裝置把地震和結(jié)構(gòu)隔開，其基本作用為削弱與調(diào)整地震過程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)削弱結(jié)構(gòu)震動(dòng)這一目的。通常存在基底隔震與懸掛隔震這兩種方法。

結(jié)構(gòu)。被動(dòng)減震為經(jīng)由特定措施來吸收地震傳送至主結(jié)構(gòu)中的能量，以此來削弱結(jié)構(gòu)震動(dòng)。被動(dòng)減震包含耗能減震、吸震減震以及沖擊減震這三種方法。

反應(yīng)。主動(dòng)減震是依照結(jié)構(gòu)自身的地震反應(yīng)，經(jīng)由執(zhí)行機(jī)自主地為結(jié)構(gòu)添加一定的控制力，以此來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)震動(dòng)這一目的。

結(jié)構(gòu)隔震和減震方法

相關(guān)研究最早著手于上世紀(jì)中期，隨后快速發(fā)展。上述積極抗震法和傳統(tǒng)消極抗震進(jìn)行對(duì)比，主要具有下述優(yōu)點(diǎn)：

削弱地震作用。可削弱地震作用，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)造價(jià)，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí)，隔震方法還能夠有效控制傳送至結(jié)構(gòu)中的極限震力，以此來填補(bǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)無法精準(zhǔn)明確載荷的問題。

控制地震變形。控制地震變形，讓非結(jié)構(gòu)構(gòu)件免遭地震破壞，以此來縮減震后維修經(jīng)費(fèi)，以代表性的現(xiàn)代化建筑為例，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件所占費(fèi)用在房屋總造價(jià)中的比重達(dá)到了80%左右。

懸掛隔震。懸掛隔震讓結(jié)構(gòu)的所有質(zhì)量都懸掛起來，致使地震無法傳送至主體質(zhì)量中，形成一定的慣性力，借此來達(dá)到隔震的目的。無論是在橋梁還是在火電廠鍋爐架中，懸掛結(jié)構(gòu)均得到了廣泛應(yīng)用。

基地隔震。在夾層橡膠墊隔震中，隔震裝置所用橡膠墊塊既可選取天然橡膠，還可選取人工合成橡膠，為加強(qiáng)墊塊的整體垂直承載力與豎向剛度，通常利用橡膠片和薄銅板來制作橡膠墊塊。

鉛芯橡膠支座促使支座具有適宜的初始剛度，經(jīng)由風(fēng)載與制動(dòng)力等不同作用保持優(yōu)良的剛度，進(jìn)而迎合正常使用標(biāo)準(zhǔn)，但出現(xiàn)強(qiáng)地震時(shí)，則裝置開始柔性滑動(dòng)，促使整個(gè)體系涌向消能狀態(tài)。

在滑動(dòng)支座自身的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間安裝相互滑動(dòng)滑板。當(dāng)風(fēng)載和制動(dòng)力減小時(shí)，則靜摩擦力讓上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)穩(wěn)地固定在基礎(chǔ)中，當(dāng)發(fā)生大震時(shí)，則結(jié)構(gòu)水平滑動(dòng)，削弱地震作用，同時(shí)，利用摩擦阻尼來消耗一定的地震能源。

未來發(fā)展方向

以往借助結(jié)構(gòu)延性形成的抗震措施主要以某種損傷為代價(jià)來削弱地震反應(yīng)，融入整合效能技術(shù)能夠控制結(jié)構(gòu)損傷，并可應(yīng)用在不同的結(jié)構(gòu)中，對(duì)應(yīng)減震效果也很少依賴于地面運(yùn)動(dòng)特性，同時(shí)，耗資較少，值得推廣。但我們應(yīng)認(rèn)識(shí)到的一點(diǎn)內(nèi)容是增大阻尼在抑制結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)與變形的環(huán)節(jié)會(huì)讓結(jié)構(gòu)絕對(duì)速度與加速度提升，進(jìn)而對(duì)內(nèi)部設(shè)備以及人員產(chǎn)生不利影響。

以短周期地面運(yùn)動(dòng)作用的中短周期結(jié)構(gòu)為例，基礎(chǔ)隔震所產(chǎn)生的減震效果和消能技術(shù)相比更加優(yōu)良，然而，在地面運(yùn)動(dòng)輸入中具有較強(qiáng)的敏感度，無法真正規(guī)避共振危險(xiǎn)。另外，半上動(dòng)控制與混合控制方法能夠迎合不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，在地面運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)不確定方面具有優(yōu)良的適應(yīng)能力，能夠增加結(jié)構(gòu)安全性，在整合智能元件后，整體的效果也更加優(yōu)良，值得大面積推廣與應(yīng)用。

綜上可知，建筑進(jìn)行減隔震處理以后，即便遭遇地震，結(jié)構(gòu)主體也不會(huì)發(fā)生任何破壞，我們僅需在震后及時(shí)調(diào)整支座高強(qiáng)螺栓與錨固鋼擋板，以此來迎合小震不壞與中震可修等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這是一種可行、有效的解決辦法，值得推廣應(yīng)用。

（作者單位：山東省建筑設(shè)計(jì)研究院）