建筑結(jié)構(gòu)設計中的隔震減震措施探討

葛少平

（南京金宸建筑設計有限公司，江蘇南京 210000）

0 引言

我國地震災害比較頻繁，據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計，很多地震都會造成經(jīng)濟損失和人員傷亡，在這些損失中，絕大多數(shù)又是由于建筑物本身的坍塌或破壞引起。因此，減少建筑物受到地震的影響是當前降低地震所造成經(jīng)濟損失最直觀的手段。經(jīng)過唐山、汶川、玉樹等地震后，我國人民對抗震的意識愈發(fā)強烈，而我國建筑人員也要牢牢發(fā)揮建筑抗震減震價值，為我國經(jīng)濟發(fā)展做貢獻。

1 地震對建筑影響

我們習慣將地震波以體波和面波進行劃分，體波又細致劃分為縱波與橫波，面波分為瑞雷波和諾夫波，在以上四種波形中，面波能夠在地表傳播且傳播距離較遠的，橫波只能在固體之間進行傳播，縱波則能夠在固體和液體之間傳播。體波的傳遞效果正如其名，縱波傳遞至建筑物時，使建筑物出現(xiàn)上下顛簸，而橫波則是使建筑在水平方向上產(chǎn)生些許位移。由于面波的能量遠遠大于橫波，其所產(chǎn)生的地震影響能夠使建筑物出現(xiàn)水平和垂直兩個方向的位移。由此可見，面波是造成建筑物倒塌、損壞的主要地震波。

2 建筑結(jié)構(gòu)主要隔震措施

隔震措施主要分為地基隔震、基礎(chǔ)隔震、層間隔震、懸掛隔震等方式，其實際應用需要根據(jù)各個建筑身處環(huán)境和結(jié)構(gòu)選擇合適的隔震措施。

2.1 地基隔震

地基位于建筑物與地震之間，與地面直接接觸，從而也意味著其將直接承受地震波帶來的能量沖擊。而恰恰是這一特性使地基能夠很好承擔其緩沖地震與建筑之間的重任，于是，人們開始探索地基材料的隔震能力，如橡膠支墊、磁懸浮、滾動鋼球等。最常見的方式是利用鋪設的墊層來削弱地震波強度，傳統(tǒng)墊層所采取的材料為黏土沙子，或者在二者之間添加土工布。該方法造價較低，地震發(fā)生時能夠有效增大建筑物與地基的滑移效果，從而達到減震效果。但通過長時間的觀察研究，我們發(fā)現(xiàn)，頻繁的振動會對墊層結(jié)構(gòu)材料造成磨損，使其中的砂層逐漸流失，隨即增大摩擦力，長久以往，接觸面積必然將不在承擔起地震減震功能，其接觸面都會出現(xiàn)裂縫。如今，大多數(shù)建筑所采用的隔震墊材料為疊層橡膠，其減震效果能夠遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)黏土砂子，常見的疊層橡膠并非全由橡膠墊組成，在橡膠墊中，還會增加部分夾層薄鋼板，鋼板與橡膠交錯疊放，經(jīng)過良好的粘合，形成極其出色的減震裝置。鋼板能夠約束相鄰的橡膠墊，而橡膠墊天然的彈性能夠使其在大幅度內(nèi)側(cè)方向形變的同時仍保持良好的穩(wěn)定性，是當前地基隔震材料中十分優(yōu)質(zhì)的首選材料。但苦于其材料價格昂貴，施工技術(shù)也存有許多難點，并不適應位于地震多發(fā)帶的農(nóng)村地區(qū)。因此，而隨著現(xiàn)代科研力量崛起，研發(fā)人員經(jīng)過多次探究不同材料的隔震性后，提出新的墊層材料，即改性阻尼瀝青。改性阻尼瀝青良好的柔性使其具備吸收大部分地震波向上輸出能量的功能，從而很大程度阻礙地震向建筑物方向傳播，同樣，在使用改性阻尼瀝青材料后，隔震墊的周期明顯增加，大大減少了加速度，使其位移增大。另外，瀝青材料十分低廉，施工工藝簡單，便于在農(nóng)村地區(qū)廣泛使用。

2.2 基礎(chǔ)隔震

基礎(chǔ)隔震安裝位置大多數(shù)位于建筑基礎(chǔ)與上層結(jié)構(gòu)中，通過柔性連接，形成足夠的隔震系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效減少地震波對上層建筑的影響，從而達到整體的減震作用。整個基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)體系包括上層結(jié)構(gòu)、隔震裝置、下層結(jié)構(gòu)。隔震原理為利用結(jié)構(gòu)的長周期性，通過在底層集中位移，實現(xiàn)上層結(jié)構(gòu)位移減少，并將所承受的地震能量傳遞至地面或被吸收，從而確保建筑中上層結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。其技術(shù)研發(fā)源于早年的東京帝國飯店的軟泥層地基，而并不是所有的軟泥層都能起到同樣的作用，因此，人們?yōu)榱藢ふ翌愃朴谲浤鄬拥奶娲罚瑥亩饾u形成今天的基礎(chǔ)隔震?；A(chǔ)隔震經(jīng)濟性不高，國內(nèi)只在地震多發(fā)地帶和重要公共建筑中使用，例如橋梁、核設施等。但其發(fā)展前景十分光明，該技術(shù)的發(fā)展方向已經(jīng)逐漸被越來越多的專業(yè)工程學者所看好。當前我國的橡膠鋼板疊層體系能夠擁有較好的減震效果，其經(jīng)濟性也在逐漸趨于可以接受的水平，唯一不足的是，該減震技術(shù)并不能做到豎向減震，而基礎(chǔ)隔震可以在豎向減震基礎(chǔ)上有所改善。我國已有數(shù)百萬平方米的房屋建筑應用基礎(chǔ)隔震，科研人員和學者也紛紛加強對基礎(chǔ)隔震體系的研究，力圖在其可靠性基礎(chǔ)上提升經(jīng)濟性，為我國經(jīng)濟社會提供更大的間接利益。

2.3 層間隔震

層間隔震在建筑結(jié)構(gòu)的夾層與原結(jié)構(gòu)之間原有隔熱層的基礎(chǔ)上放置耗能減震裝置，從而降低吸收地震波。層間隔震是對基礎(chǔ)隔震的加強和補充，是建筑隔震措施中重要的環(huán)節(jié)，與基礎(chǔ)隔震相比，層間隔震的結(jié)構(gòu)位置稍微偏上，位置的改變并不阻礙其隔震作用，上部結(jié)構(gòu)可以與減震裝置一起形成對下部結(jié)構(gòu)往上所傳達的地震波吸收、消除。這一技術(shù)在日本被廣泛使用，它不僅可用于新房的減震，還能用于舊房的加固，由此可見其出色的經(jīng)濟效益。在我國，層間隔震的概念也不再局限于屋頂?shù)雀粽穑窃诟嗟墓こ探ㄔO項目中找到了其價值，當前，國內(nèi)利用層間隔震的設計建筑越來越多，主要用于中高層、大空間的建筑中，例如汕頭博物館的層間隔震被用在二層頂柱和三層樓板之間。隨著我國學者對層間隔震工作機理和地震反饋研究的深入，層間隔震技術(shù)必將越來越成熟，當前所提出的評判層間隔震的指標必將在未來有所建樹。

2.4 懸掛隔震

懸掛隔震是將建筑結(jié)構(gòu)全部懸吊起來，阻礙其與地面接觸，導致地面波很難傳達建筑結(jié)構(gòu)中。其最有代表的隔震裝置為巨型鋼架框懸掛體系，該體系由主框架和子結(jié)構(gòu)組成，二者各自獨立，起到隔離彼此力學作用。主框架同常見的框架結(jié)構(gòu)一樣，而子結(jié)構(gòu)大多采取索、吊等懸掛方式，承擔著建筑結(jié)構(gòu)的大部分質(zhì)量。懸掛隔震主要用于我國橋梁建筑、火電廠鍋爐架等。隨著生活水平的提高，人們開始重視建筑外形的美觀，建筑的功能趨于多樣化。懸掛式隔震能夠很好契合這一生活發(fā)展形勢，減少與地面接觸的建筑是如今較為新穎、十分具有特色的建筑理念，上懸掛下隔震的結(jié)構(gòu)也會在未來多樣化的功能建筑中發(fā)揮意想不到的作用。懸掛隔震中的阻尼裝置也成為時下學者研究的熱門，各種材料的阻尼器問世過程正是懸掛隔震技術(shù)逐漸興起的最好證明。

3 建筑中常用減震措施

3.1 無粘結(jié)鋼結(jié)構(gòu)體系

無粘結(jié)鋼結(jié)構(gòu)是一種十分機敏的減震支撐結(jié)構(gòu)，其主要用于建筑中核鋼支撐與混凝土之間，構(gòu)成一個滑動位移面。鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中應用廣泛，而純鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)的抗側(cè)剛度并不能達到建筑抗震要求，而鋼框架支撐結(jié)構(gòu)能夠解決傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)遇到強風或地震時產(chǎn)生過大位移的問題，但其支撐作用不大，極容易在強震中發(fā)生變形、扭曲，導致建筑中鋼結(jié)構(gòu)支撐體系所承擔的力學結(jié)構(gòu)失效。因此，鑒于前幾種鋼結(jié)構(gòu)，近年來有學者提出一種新的避免屈曲的支撐結(jié)構(gòu)，通過對支撐桿件進行改造，從而得到無粘結(jié)的支撐體系。這種支撐體系能夠在內(nèi)核設計鋼支撐和外包構(gòu)件間添加了新型滑移層，這樣即便在外力地震水平作用下，滑移層也能有效減少地震波對鋼結(jié)構(gòu)的作用，從而達到良好的抗震能力。

3.2 加固減震

以往的建筑工程中對抗震環(huán)節(jié)有所疏忽，因此，現(xiàn)代建筑有必要對部分建筑工程進行加固減震處理。其中，最常見的加固環(huán)節(jié)是通過在建筑結(jié)構(gòu)中增加阻尼，在建構(gòu)連接處、鋼結(jié)構(gòu)、隔震夾層中增加消震裝置，從而提升整個建筑的抗震能力。以植筋技術(shù)為例，該技術(shù)利用混凝土包裹鋼筋，使混凝土鋼筋表面融為一體，從而達到更好的承載力。植筋技術(shù)方式多樣，并不拘束于一種植筋類型，而根據(jù)建筑需要選擇，如可以在普通鋼筋加固過程中增加錨筋，促使鋼筋整體達到防震減震的作用，也可以在加固中根據(jù)需求選擇植筋膠。對比傳統(tǒng)加固方式，植筋加固優(yōu)勢突出，在災區(qū)應用廣泛。這種加固方式如今在各大高層建筑、鋼結(jié)構(gòu)房屋、工業(yè)廠房應用較多，該方式既不會影響原有建筑結(jié)構(gòu)，也不會使建筑布局發(fā)生改變，具有十分廣闊的發(fā)展前景。

3.3 結(jié)構(gòu)布置

除了以上建筑的減震措施外，根據(jù)地震根源來選擇建筑場地和建筑結(jié)構(gòu)也不失為行之有效的減震措施。地殼之間的運動引發(fā)碰撞導致了地震，建筑選址前，應考量當?shù)氐刭|(zhì)結(jié)構(gòu)和所處地殼位置，推測當?shù)卣鸢l(fā)生時可能對建筑產(chǎn)生的影響。通過分析可以得出建筑所受地震影響最小的建設方式。例如，建筑的長邊應盡可能與地質(zhì)斷裂帶保持平行，當?shù)卣鹱呦蚺c建筑物走向保持一致時，建筑物發(fā)生倒塌概率便會大大降低。

4 結(jié)束語

綜上所述，建筑物的隔震減震對我國現(xiàn)代經(jīng)濟社會發(fā)展而言十分重要。不僅僅是地震多發(fā)地區(qū)的建筑，國內(nèi)其他地區(qū)的建筑同樣也要關(guān)注建筑的隔震減震技術(shù)?，F(xiàn)代建筑的發(fā)展不僅要重視住戶的舒適環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，提升建筑的宜居程度，還要將重心放在建筑的隔震減震功能上，提升房屋住宅等建筑的安全性和可靠性，真正做到以人為本，營造出經(jīng)濟性強，能夠保護住戶生命及財產(chǎn)安全的建筑物。