建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的隔震減震研究

沈紅霞 許家村 陳玲玲

山東省紡織建筑設(shè)計院有限公司 山東 濟南 250013

引言

我國對于建筑結(jié)構(gòu)中的隔震減震有著一定的研究歷史，最早起源于20世紀(jì)70年代，那時已經(jīng)形成了隔震減震理念。隨著我國建筑行業(yè)飛速發(fā)展，建筑規(guī)模日益擴大化，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，隔震減震規(guī)劃顯得尤為重要，隔震減震主要是為了預(yù)防地震災(zāi)害的影響，將其延伸影響降至最低。進(jìn)入21世紀(jì)，人們對于安全問題愈加重視，建筑作為人們居住的場所，確保安全性是非常重要的，地震對建筑結(jié)構(gòu)造成的破壞非常大，在建筑結(jié)構(gòu)中采用隔震減震技術(shù)，可以將這種不好的影響降至最低，好的隔震減震設(shè)計，可以達(dá)到一個較為理想的應(yīng)用效果。我國在隔震減震方面的研究還處于起步階段，很多方面還不成熟，為了進(jìn)一步推動隔震減震研究，要對隔震減震進(jìn)行系統(tǒng)化的分析和試驗，測試相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)，使之能夠更好地應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中，達(dá)到一個理想的防震效果。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中隔震減震應(yīng)用的重要性分析

隨著經(jīng)濟水平的穩(wěn)定增長，城市化建設(shè)進(jìn)程越來越快，建筑工程數(shù)量越來越多，建筑主要是為人們提供居住的場所，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對于人們的生命安全有著重要作用。在自然災(zāi)害中，地震是破壞性較大的一種災(zāi)害，對人們的生活會造成多方面的影響，嚴(yán)重威脅到人們的生命安全，一旦發(fā)生地震，對于建筑結(jié)構(gòu)會造成極大的損壞，破壞性非常大，人們生活水平的提高，對建筑結(jié)構(gòu)的安全性越來越重視。也正是如此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，隔震減震成為研究重點，建筑結(jié)構(gòu)具有綜合性特點，包含了多個連接節(jié)點，隔震減震設(shè)計要兼顧各個方面的影響因素，要從建設(shè)結(jié)構(gòu)整體角度出發(fā)，進(jìn)行有序的規(guī)劃和完善。在眾多自然災(zāi)害中，地震是地質(zhì)災(zāi)害的一種，而且地震造成的破壞性非常大，牽涉范圍比較廣，在地質(zhì)不穩(wěn)定的板塊更容易出現(xiàn)地震的情況。2008年，四川汶川發(fā)生了特大級地震，地震等級達(dá)到了8.0，所造成的破壞非常大，當(dāng)?shù)氐墓S、教學(xué)樓、建筑物等全部坍塌，造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失是不可估計的，也正是那次事故出現(xiàn)之后，人們更加重視到建筑結(jié)構(gòu)中隔震減震的重要性。地震是無情的，不會給人們留有任何余地，我們能夠做的，就是在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，加大隔震減震的應(yīng)用，弱化地震帶給建筑結(jié)構(gòu)的影響，使建筑結(jié)構(gòu)保持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，最大限度上保障人們的生命安全。隔震減震設(shè)計是一個綜合性的過程，貫穿了整個建筑結(jié)構(gòu)，通過消能器延伸結(jié)構(gòu)阻尼，擴大結(jié)構(gòu)的延伸指標(biāo)，提高結(jié)構(gòu)水平的承壓能力，使建筑結(jié)構(gòu)能夠更好地削弱地震反應(yīng)，減少與地震共頻的情況，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過隔震減震在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，進(jìn)一步降低了建筑結(jié)構(gòu)與地震的加速反應(yīng)，總體下降了三分之二，可以規(guī)避結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載作用發(fā)生偏移，建筑結(jié)構(gòu)保持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)[1]。

2 隔震技術(shù)

2.1 隔震技術(shù)的發(fā)展

對于建筑結(jié)構(gòu)來說，隔震技術(shù)主要起到預(yù)防的作用，要想達(dá)到一個較為理想的隔震效果，需要構(gòu)建完善的阻隔體系，采用疊合橡膠的方式，提高建筑結(jié)構(gòu)的隔震指標(biāo)，在這個過程中，需要使用到橡膠支座、支撐擺動隔震、滾動與滑移隔震等。我國在隔震技術(shù)方面花費了不少精力，特別是基于滾球隔震基礎(chǔ)上，延伸了新的隔震方法，就是鋼球限位法，鋼球置于底層區(qū)域，與四周進(jìn)行固定，從而弱化地震影響。從這幾年發(fā)展情況來看，隔震技術(shù)應(yīng)用愈加成熟化，特別是在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用非常頻繁，隔震層的設(shè)置具有一定分化性，可以設(shè)置在建筑結(jié)構(gòu)中不同區(qū)域，比如房屋的頂部或者墻體中，在具體設(shè)計過程中，除考慮應(yīng)用的實際效果，更要不影響建筑結(jié)構(gòu)的美觀性和穩(wěn)定性。有些設(shè)計師認(rèn)為隔震設(shè)計的區(qū)域比較多樣化，并非局限在某一板塊，柱頭、柱間都是不錯的選擇，可以通過其空間限制減少位移偏差。隔震技術(shù)主要是將結(jié)構(gòu)的自振周期進(jìn)行延伸，將建筑物的地震反應(yīng)降到一個最低狀態(tài)，對于隔震技術(shù)的應(yīng)用，要考慮多方面因素影響，必須地形合適，避免因為地形偏差使得隔震效果不理想。隔震設(shè)計一般都是從基層或者頂層入手，設(shè)計者應(yīng)該對此有個全面的了解，熟悉建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)，層層分化，確保隔震應(yīng)用的有效性。

2.2 地基材料的選擇

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，隔震設(shè)計最為重要的就是隔震地基材料的選擇，因為地基是建筑與地層連接的基礎(chǔ)，地震的作用就是通過地基延伸到建筑結(jié)構(gòu)中。合理選擇地基材料，可以將地震延伸影響降至最低，建筑物的地基隔震，是建筑結(jié)構(gòu)隔震的基礎(chǔ)部分，要引起足夠的重視，在基層區(qū)域，鋪設(shè)海綿墊層，將地震波的延伸進(jìn)行弱化，使地震波不能很好的作用于建筑結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的地基隔震中，主要是在建筑地基上鋪設(shè)黏土和砂子，或者在軟黏土和砂土中進(jìn)行間隔分化，中間間隔區(qū)域放置土工布，達(dá)到一個阻隔的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在地基隔震材料這方面，人們創(chuàng)新了材料性能，使用瀝青阻尼隔震材料，替代了傳統(tǒng)的黏土砂墊層，達(dá)到了一個較為理想的隔震效果，弱化了地震波的延伸影響，在建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用。

2.3 懸掛隔震

懸掛隔震具有一定的分化特點，主要針對建筑結(jié)構(gòu)中的主體結(jié)構(gòu)，將建筑主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行懸掛處理，這樣當(dāng)發(fā)生地震的時候，地震的應(yīng)力傳播到主體結(jié)構(gòu)上，主體結(jié)構(gòu)會隨著應(yīng)力偏動，因為主體結(jié)構(gòu)呈懸掛狀態(tài)，就會阻斷應(yīng)力的傳播，使得地震應(yīng)力傳動受阻，無法進(jìn)行延伸性傳動，進(jìn)一步弱化地震應(yīng)力影響。懸掛隔震有著一定的應(yīng)用優(yōu)勢，主要是對建筑結(jié)構(gòu)的良好調(diào)控，通過控制建筑結(jié)構(gòu)弱化地震傳播應(yīng)力，但是懸掛隔震也存在一定限制，就是應(yīng)用成本相對來說比較高，需要投入不小的成本，一般住宅建筑不會采用這種方法。

2.4 基礎(chǔ)隔震

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，隔震較為多樣化，基礎(chǔ)隔震主要是基于建筑結(jié)構(gòu)基層結(jié)構(gòu)和頂部結(jié)構(gòu)出發(fā)，在基層結(jié)構(gòu)和頂部區(qū)域安裝隔震裝置，隔震裝置可以起到一個阻隔的作用，使地震波不會向上傳遞，同時使地層波在基層的時候就降低，地震波降低的話，對于建筑結(jié)構(gòu)的延伸作用就會弱化。基礎(chǔ)隔震有著一定的應(yīng)用針對性，在規(guī)則型建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較廣泛，還有就是多層建筑中會經(jīng)常使用到，因為對于地震波良好的阻隔性，使得這種基礎(chǔ)隔震方式具有很好的應(yīng)用效果，可以進(jìn)一步延長建筑結(jié)構(gòu)的自振周期。

2.5 層間隔震

層間隔震具有一定的連接性，主要針對建筑結(jié)構(gòu)整體框架出發(fā)，以建筑結(jié)構(gòu)作為連接支點，安裝耗能減震裝置，對各個結(jié)構(gòu)的夾層和隔熱層進(jìn)行優(yōu)化改建，層與層之間分化明確，達(dá)到一個較為理想的減震效果。通過結(jié)構(gòu)的不同改造優(yōu)化，出現(xiàn)地震后，抗震技術(shù)與隔震技術(shù)相互作用，會抵消地震產(chǎn)生的作用力，將應(yīng)力指標(biāo)降至最低，吸收和消耗地震力，使影響建筑結(jié)構(gòu)的地震波降到一個最低的范圍，確保建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。比如在7層地層框架建筑結(jié)構(gòu)中，為了提高抗震指標(biāo)，采用層間隔震的方式，底層橫道設(shè)置4道鋼筋混凝土抗震墻，縱向設(shè)置5道鋼筋混凝土抗震墻，底部的外墻設(shè)置為磚抗震墻為主，底部層間連接中，以夾層橡膠作為支撐點，起到弱化地震波的作用[2]。

3 減震技術(shù)

3.1 無黏結(jié)鋼支撐體系

在減震技術(shù)中，無黏結(jié)鋼支撐體系是重要組成成分，主要是將建筑內(nèi)內(nèi)核鋼支撐與外包鋼管之間形成穩(wěn)定的連接關(guān)系，以無黏結(jié)的方式進(jìn)行加固。建筑體系本身具有一定的結(jié)構(gòu)特點，延伸范圍比較廣，其中包括了鋼筋混凝土、鋼管混凝土等，可以通過無黏結(jié)的方式填充其中的空隙，從而使整個平面保持平滑狀態(tài)。然后在支撐節(jié)段中設(shè)置外包層，支撐體系的兩端預(yù)留一定空間，主要是為了支撐內(nèi)核鋼，使用螺栓將框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，螺栓的強度指標(biāo)要夠高，確保能夠承受框架的延伸拉力。使用無黏結(jié)鋼支撐體系的時候，注重細(xì)節(jié)方面的處理工作，計算好滑移界面材料的使用量，還有界面尺寸指標(biāo)，內(nèi)核鋼與外包層之間相互連接，形成緊密的滑移層面，避免內(nèi)核鋼支撐形變。

3.2 消能減震構(gòu)件

消能減震構(gòu)件是減震技術(shù)的一種，具有一定的結(jié)構(gòu)性，涉及的構(gòu)件比較多，通過對各個消能減震構(gòu)件的有效應(yīng)用，能夠?qū)⒌卣饝?yīng)力削減到一定程度，達(dá)到一個較為理想的減震效果。在抗震減震中，消能構(gòu)件主要包括消能剪力墻、消能節(jié)點、消能聯(lián)結(jié)、消能支撐、消能懸吊構(gòu)件等，主要是通過構(gòu)件達(dá)到消能減震的作用。消能剪力墻可替代一般結(jié)構(gòu)的剪力墻，在抗震及抗風(fēng)中發(fā)揮剪力墻的水平剛度和減震作用；消能節(jié)點主要是在結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點或梁節(jié)點處裝設(shè)消能裝置，當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向位移，在節(jié)點處產(chǎn)生角度變化、轉(zhuǎn)動錯動時，消能裝置發(fā)揮消能減震的作用；消能聯(lián)結(jié)是在結(jié)構(gòu)的縫隙處或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的聯(lián)結(jié)處設(shè)置消能減震裝置，當(dāng)結(jié)構(gòu)在縫隙或聯(lián)結(jié)處產(chǎn)生相對變形的時候，消能裝置發(fā)揮消能減震的作用；消能支撐或懸吊構(gòu)件主要是對某些線結(jié)構(gòu)（如消防管道、暖氣管道等）設(shè)置各種支撐或懸吊消能裝置。當(dāng)線結(jié)構(gòu)發(fā)生震動時，支撐或懸吊件即發(fā)揮消能減震作用，整個線結(jié)構(gòu)呈連接狀態(tài)，相互連接，將地震應(yīng)力進(jìn)行分?jǐn)?，削減應(yīng)力指標(biāo)。

3.3 結(jié)構(gòu)平面與豎向的合理規(guī)劃

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，針對減震的規(guī)劃，要想達(dá)到一個理想的應(yīng)用效果，要考慮多方面的影響因素，做好相關(guān)協(xié)調(diào)工作。重視建筑結(jié)構(gòu)平面布局的影響，建筑體系具有一定的結(jié)構(gòu)特點，平面設(shè)計規(guī)劃過程中，要秉持著簡單化、規(guī)則化的原則，從而建筑物按不同結(jié)構(gòu)方向設(shè)計相應(yīng)的抗側(cè)力構(gòu)件，兩端設(shè)計的構(gòu)件強度指標(biāo)要保持一致，質(zhì)心和剛心保持高度重合。豎向設(shè)置規(guī)劃過程中，豎向構(gòu)件需要與平面保持垂直，高度呈均勻變化，避免剛度過大或出現(xiàn)薄弱層的情況。注重細(xì)節(jié)方面的處理，在對不規(guī)則平面進(jìn)行規(guī)劃過程中，要從整體平面角度出發(fā)，避免出現(xiàn)頭重腳輕的情況，使結(jié)構(gòu)應(yīng)力過于集中，降低建筑結(jié)構(gòu)剛度。

3.4 減震設(shè)計

我國對于減震設(shè)計還存在一定限制，側(cè)重于概念方面，對于阻尼器沒有一個量化標(biāo)準(zhǔn)，一般都是采用反復(fù)估算的方式。在阻尼器調(diào)控方面，從結(jié)構(gòu)方面入手，以兩個主軸進(jìn)行延伸，將其布置在結(jié)構(gòu)層位移較大的區(qū)域，框架結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)底部安裝阻尼器的數(shù)量保持在2～3層，剪力墻結(jié)構(gòu)的層數(shù)控制在一定范圍，在框支層靈活設(shè)置阻尼器。對于減震設(shè)計可以從優(yōu)化結(jié)構(gòu)方面入手，采用延伸性比較好的構(gòu)件，應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)中，可以提高剪應(yīng)力指標(biāo)，使結(jié)構(gòu)運行更為穩(wěn)定，弱化地震影響。還有就是提高結(jié)構(gòu)本身的阻尼指標(biāo)，結(jié)構(gòu)阻尼指標(biāo)受材料、地基影響出現(xiàn)不同程度的波動，在高層建筑設(shè)計過程中，盡量選擇阻尼較大的材料結(jié)構(gòu)，然后將阻尼器應(yīng)用其中，起到一個弱化地震應(yīng)力的作用[3]。

4 結(jié)束語

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模擴大化，建筑工程數(shù)量越來越多，人們愈加重視建筑安全。在眾多自然災(zāi)害中，地震是地質(zhì)災(zāi)害的一種，而且地震造成的破壞性非常大，牽涉范圍比較廣，在地質(zhì)不穩(wěn)定的板塊更容易出現(xiàn)地震的情況。一旦發(fā)生地震，對于建筑結(jié)構(gòu)會造成極大的損壞，嚴(yán)重威脅到人們的生命安全，也正是如此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，隔震減震成為研究重點。建筑結(jié)構(gòu)具有綜合性特點，包含了多個連接節(jié)點，隔震減震設(shè)計要兼顧各個方面的影響因素，要從建設(shè)結(jié)構(gòu)整體角度出發(fā)，進(jìn)行有序的規(guī)劃和完善。隔震減震設(shè)計對于地震災(zāi)害的防治有著重要作用，可以將地震對建筑結(jié)構(gòu)的破壞性降至最低，保障建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和人們的生命安全。我國對于建筑結(jié)構(gòu)中的隔震減震有著一定的研究歷史，也取得了一定的應(yīng)用效果，為了我國社會穩(wěn)定發(fā)展，要進(jìn)一步加大對隔震減震的研究，創(chuàng)新相關(guān)技術(shù)體系，使人們在面對地震的時候有更多緩沖的時間，避免人員傷亡和財產(chǎn)損失。