簡述現(xiàn)代建筑中幾種常用的抗震減震方法

文/楊思宇 遼寧省實驗中學(xué) 遼寧沈陽 110841

1、概述

中國大陸地區(qū)多地處在地震頻發(fā)地帶，而從記載中的地震情況看來，中國大陸地震災(zāi)害主要有以下一些特點：（1）高震級地震災(zāi)害次數(shù)高，尤其是在主震發(fā)生后發(fā)生的余震頻發(fā)，且余震的震級往往也很高，這使得災(zāi)害帶來的損失成疊加效果；（2）次生災(zāi)害嚴(yán)重，這帶來的后果是救援安置問題難以妥善解決。地震發(fā)生地區(qū)往往是欠發(fā)達(dá)地區(qū)，地形因素復(fù)雜，帶來諸如泥石流，滑坡等次生災(zāi)害。（3）地震災(zāi)害造成的后果往往與建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工質(zhì)量有著很大關(guān)系，很多地震發(fā)生地區(qū)建筑設(shè)計施工市場混亂，缺乏監(jiān)管，在自然因素之外，人為地加大了災(zāi)害的損失程度。因此，中國大陸地區(qū)建筑設(shè)計中的抗震減震設(shè)計是本文著重探索的方向，試圖舉例論述目前中國地區(qū)常用的建筑抗震減震方法。

2、抗震減震結(jié)構(gòu)

嚴(yán)格意義上的區(qū)分，抗震結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)是兩種不同的概念：抗震結(jié)構(gòu)多是對建筑物本身進(jìn)行設(shè)計，通過對建筑物的結(jié)構(gòu)性的抗震設(shè)計，包括提升材料強度，剛度及延展性等性能，從而達(dá)到降低地震對建筑物帶來的災(zāi)害。而減震結(jié)構(gòu)多是在建筑物本體的基礎(chǔ)上，額外裝置的外置設(shè)施，在一定程度上減弱地震所釋放出的勢能。而抗震結(jié)構(gòu)一般在傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)中基本上都會在前期設(shè)計中有所考慮，而減震結(jié)構(gòu)則作為一種可以附加的裝置，通常配合建筑物的更新迭代而且隨著時代的變化，材料和技術(shù)的不斷提升，有著很大的提升空間。

2.1 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)意義上的結(jié)構(gòu)抗震方式是通過增強建筑物結(jié)構(gòu)本身的抗震性能，其中主要考察的性能包括強度、剛度及延性等，從而抵御地震、風(fēng)、雪、海嘯等對建筑物造成的損害。大部分自然災(zāi)害對建筑物所作用的強度和性狀往往不能十分準(zhǔn)確的勘定，而通過傳統(tǒng)方式的抗震方法進(jìn)行設(shè)計的建筑物結(jié)構(gòu)很大程度上不具備良好的自我調(diào)節(jié)能力，而且傳統(tǒng)的抗震方法在做法上往往不具有很強的后期修繕的可能性，因此當(dāng)具有強大破壞力的地震來臨之際，往往會造成十分嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

2.1.1 結(jié)構(gòu)特點

根據(jù)所選建筑材料采用不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)建建筑，利用力學(xué)原理，以充分發(fā)揮出材料的性能，常見的結(jié)構(gòu)有：磚混結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，磚木結(jié)構(gòu)等，近現(xiàn)代利用仿生學(xué)的相關(guān)研究也有如薄殼結(jié)構(gòu)，薄膜結(jié)構(gòu)等

2.1.2 材料

材料的性能直接決定建筑本身各種屬性，巧妙利用材料的硬度，延展性，韌性，密度等屬性，如恰當(dāng)?shù)倪\用活性炭可以大幅減輕承重壓力，往往能起到意想不到效果。

2.1.3 環(huán)境

不同的環(huán)境往往對建筑體本身有較大影響，風(fēng)力，雨水，沙塵等都是建造時需要考慮的因素，而充分利用好地勢，風(fēng)向等則可事半功倍。

2.2 消能減震結(jié)構(gòu)

消能減震結(jié)構(gòu)在通常意義上的做法是將傳統(tǒng)形式的建筑結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件（諸如剪力墻，連接件等部件）以能夠消減勢能的桿件作替代，或者在原有基礎(chǔ)上加裝消能裝置（如圖2.1所示）。在較高級別地震發(fā)生的過程中，消能構(gòu)件或裝置首先被壓縮后進(jìn)入彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，以此消耗輸入結(jié)構(gòu)中的地震能量，使減震結(jié)構(gòu)最大程度地避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài)，從而有效的迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在地震中免遭破壞的目的。以減震結(jié)構(gòu)對地震反應(yīng)的大小為控制標(biāo)準(zhǔn)，判斷其消能結(jié)構(gòu)的減震效果。對消能減震結(jié)構(gòu)的減震性能產(chǎn)生影響的因素有很多，如阻尼器的剛度、阻尼系數(shù)，地震波的峰值等。以下介紹幾種常見的消能結(jié)構(gòu)：

2.2.1 粘滯耗能器

粘滯耗能器是通過高粘性的液體（如硅油）中活塞或平板的運動耗能。這種耗能器的耗能能力與環(huán)境溫度、振動頻率與振幅有關(guān)，材料在適當(dāng)?shù)臏囟?、頻率和振幅范圍內(nèi)具有更強的能量耗散能力。其中筒式流體消能器和粘滯阻尼墻是兩種常見的粘滯耗能器。

（1）筒式流體消能器

筒式流體耗能器主要由主缸、副缸、導(dǎo)桿、活塞、阻尼材料（硅油或液壓油）以及阻尼孔等部分組成。通過設(shè)置在其中的活塞桿在柱體中往復(fù)移動，從而迫使流體通過氣孔或間隙產(chǎn)生阻尼力的方式，粘滯耗能器不會在建筑物自身的基礎(chǔ)上提供附加的剛度，因而不會改變建筑物結(jié)構(gòu)的自振特性。

（2）粘滯阻尼墻

粘滯阻尼墻通過設(shè)置在內(nèi)部的粘滯材料發(fā)生剪切變形產(chǎn)生阻尼力，它主要由襯板，內(nèi)部和外部之間的外壁板和鋼板粘性液體（聚合物）部分組成，內(nèi)襯板固定在上層，外壁板固定 在低地板上，沿著壁板上的外部激勵運動，高阻尼材料剪切變形，導(dǎo)致阻尼力，從而實現(xiàn)地震輸入能量消耗的目的，其恢復(fù)力特性與筒式流體消能器接近。粘滯阻尼墻設(shè)置在墻壁內(nèi)部，通過充分利用墻壁空間，通過調(diào)整內(nèi)部剪切板阻尼墻墻面尺寸和片數(shù)提供所需的阻尼力，有效地提高結(jié)構(gòu)的阻尼，以減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，且墻體狀外形容易被建筑師接受。粘滯阻尼墻由于其顯見的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于高層建筑、橋梁、建筑結(jié)構(gòu)抗震改造、工業(yè)管道設(shè)備抗振、軍工等領(lǐng)域。

2.2.2 粘彈性耗能器

原理：粘彈性耗能器是由異分子共聚物或玻璃質(zhì)物質(zhì)等粘彈性 材料和鋼板夾層組合而成。在交變軸向外力作用下，外部約 束鋼板與中間鋼板產(chǎn)生往復(fù)相對運動，使粘彈性材料產(chǎn)生剪 切變形來吸收和耗散輸入的能量，是一種有效的被動耗能裝 置，粘彈性耗能器的滯回曲線呈橢圓形。

應(yīng)用：粘彈性耗能器由 于結(jié)構(gòu)形式簡單，造價合理，且在任何位移下都能有效耗能，故經(jīng)常用于高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計。

2.2.3 軟鋼耗能器

鋼材是應(yīng)用中最廣泛采用的建筑材料之一。鋼材在不發(fā)生斷裂的情況下具有良好的耗能能力。因此金屬屈服型耗消能器中廣泛采用鋼材作為耗能材料，采用低強度高延性鋼材的耗能器也稱為軟 鋼耗能器。其耗能機理是利用鋼材屈服后的塑性變形和滯回耗能來耗散地震能量，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的。常見的軟鋼耗能器主要有鋼棒耗能器、軟鋼剪切耗能器、錐形鋼耗能器等。特點：性能穩(wěn)定，安裝方便，自重輕輕，易于拆卸和更換。

2.2.4 摩擦耗能器

摩擦能量耗散器使用了固體金屬部件的相對滑動摩擦，而金屬介面金屬一般用鋼和銅、黃銅與鋼等。這種耗能器耗能明顯，可提供較大的附加阻尼。后摩擦能量耗散效應(yīng)間的相對滑動摩擦表面，并與振幅和振動頻率的大小，重復(fù)載荷下摩擦可以穩(wěn)定能源消耗的性能。通過調(diào)整摩擦表面的表面壓力，可調(diào)整摩擦力，在滑動發(fā)生前不能使用，廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

總結(jié)：

我國對于地震工程成系統(tǒng)的研究工作始源于20世紀(jì)初，經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展，直到1959年，我國第一本參考前蘇聯(lián)地震區(qū)設(shè)計規(guī)范CH-8-57而編寫的《地震區(qū)建筑規(guī)范（草案）》才問世。經(jīng)過逐年的完善和拓展，逐漸發(fā)展成如今較為完善的一系列針對地震區(qū)建筑的規(guī)范及法律。隨著我國經(jīng)濟(jì)水平不斷上升，大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將推動一系列建筑技術(shù)發(fā)展，與此同時，為保障國民正常生活生產(chǎn)的建筑技術(shù)也將得到發(fā)展，其中便包括與地震災(zāi)害相關(guān)聯(lián)的建筑物抗震減震方法。因此，本文從各類抗震減震方法為出發(fā)點，著重對減震方法進(jìn)行初步探索，這也在一定程度為將來深入研究起到鋪墊作用。