探析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計隔震減震技術(shù)

文／管皓 江西省建筑設(shè)計研究總院集團有限公司 江西南昌 330046

引言：

地震是一種自然災(zāi)害，常常伴隨著毀滅性的破壞。歷史上，地震已經(jīng)造成了數(shù)百萬人的傷亡，數(shù)十億美元的財產(chǎn)損失。地震不僅對人類社會產(chǎn)生巨大的影響，還揭示了建筑物抗震性能的至關(guān)重要性。在地震頻繁的地區(qū)，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工必須考慮地震的潛在威脅，以確保建筑物的穩(wěn)定性和人員安全。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計往往側(cè)重于強化材料和結(jié)構(gòu)的剛度，以應(yīng)對地震引起的水平力和振動。然而，這種方法并不能提供足夠的地震保護，特別是在大震發(fā)生時。因此，科學(xué)家和工程師一直在尋求創(chuàng)新性的解決方案，以提高建筑物的地震抗性。隔震和減震技術(shù)已經(jīng)成為改進建筑結(jié)構(gòu)性能的有效手段之一。這些技術(shù)采用了不同的原理，包括減少地震力傳遞到建筑物的方法，或減小建筑物的振動幅度。通過引入新材料和設(shè)計理念，隔震和減震技術(shù)可以顯著提高建筑物在地震中的表現(xiàn)，降低維修和修復(fù)成本，同時提高建筑物的壽命。本論文將深入研究這些技術(shù)的原理、應(yīng)用和效益，以便更好地了解它們在現(xiàn)代建筑工程中的重要性。

1.隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

1.1 懸掛隔震

懸掛隔震技術(shù)是地震工程領(lǐng)域中的一項創(chuàng)新性解決方案，旨在提高建筑結(jié)構(gòu)的地震抗性。通過將建筑物懸掛在隔震支座上，這一技術(shù)可以顯著減小地震產(chǎn)生的沖擊和振動，從而保護建筑物及其內(nèi)部設(shè)施免受嚴(yán)重破壞。針對懸掛隔震的應(yīng)用，主要就是在地震發(fā)生時，建筑物不再直接與地面接觸，而是通過隔震支座懸掛在地基上。這些支座通常采用彈簧和減震器的組合，能夠吸收地震引起的能量，減小結(jié)構(gòu)的振動幅度。這一創(chuàng)新性設(shè)計能夠降低地震力對建筑物的作用，從而減輕結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力和變形，提高其抗震性能。目前，懸掛隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用非常廣泛，可以用于各種類型的建筑物，包括住宅、商業(yè)大廈、橋梁和重要的基礎(chǔ)設(shè)施。這項技術(shù)的靈活性使得建筑師和工程師能夠在各種環(huán)境和地理條件下實現(xiàn)地震保護[1]。

1.2 層間隔震

隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中扮演著至關(guān)重要的角色，它的主要目的是減少地震對建筑物的破壞性影響，提高建筑的抗震性能。層間隔震技術(shù)作為隔震技術(shù)的一種重要形式，被廣泛應(yīng)用于我國的建筑工程中，以保障人們的生命安全和減少經(jīng)濟損失。以北京的中國尊進行分析，該建筑是一座高達528 米的超高層建筑，位于北京商務(wù)中心區(qū)。為了確保該建筑在地震發(fā)生時的安全性，設(shè)計師采用了層間隔震技術(shù)。首先，該項目主要采用摩擦隔震器作為層間隔震的關(guān)鍵元件。這些隔震器由高強度鋼材制成，可以在地震中產(chǎn)生摩擦力，減少地震沖擊傳遞到建筑的上部。這些隔震器的參數(shù)包括摩擦系數(shù)、摩擦器數(shù)量、和隔震層的設(shè)置位置。其中，摩擦系數(shù)的選擇是關(guān)鍵的，必須要求工作人員根據(jù)地震設(shè)計參數(shù)和建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量來確定；同時，層間隔震技術(shù)的應(yīng)用也能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)的整體設(shè)計產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在中國尊的案例中，建筑師和工程師必須考慮地震荷載、建筑質(zhì)量、隔震器的性能等因素。通過層間隔震的方式，不僅可以提高建筑的抗震性能，還能夠降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度要求，幫助企業(yè)更好的控制成本投入。

1.3 基礎(chǔ)隔震

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是一項關(guān)鍵的抗震措施，用于提高建筑物在地震條件下的安全性。這項技術(shù)通過在建筑物和地基之間引入隔震裝置，大大減小地震產(chǎn)生的水平力傳遞到建筑結(jié)構(gòu)的效果。針對基礎(chǔ)隔震的應(yīng)用原理，可以結(jié)合下圖1 進行分析。

圖1 基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用原理圖

基礎(chǔ)隔震技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用，首先，地震參數(shù)核心。地震參數(shù)包括地震加速度和地震譜。其中，地震加速度（a）是地震的核心參數(shù)，其主要是描述地震強度的一個指標(biāo)；而地震譜是描述地震運動的頻率和幅值之間關(guān)系的圖表。建筑所在地區(qū)的地震活動性將決定地震參數(shù)的值。一般來說，設(shè)計地震加速度可以通過如下公式來計算：

其中，ad 是設(shè)計地震加速度，A8是地震區(qū)位系數(shù),ag是地震地表加速度。

除此之外，隔震系統(tǒng)參數(shù)是另一個關(guān)鍵因素。隔震系統(tǒng)包括隔震裝置的類型、剛度和阻尼。剛度（k）是一個隔震裝置的關(guān)鍵參數(shù)，其主要描述裝置的彈性。裝置的阻尼（c）則用來控制結(jié)構(gòu)的振動衰減。剛度和阻尼之間的關(guān)系可以通過如下公式來計算：

其中，T 是結(jié)構(gòu)的周期，m 是建筑物的質(zhì)量。

例如，假設(shè)某建筑物的質(zhì)量為5000 噸，設(shè)計地震加速度為0.2g（地震地表加速度的2 倍），工作人員可以使用上述公式來計算隔震系統(tǒng)的剛度：

這表示建筑物的振動周期為約70 秒。根據(jù)這一數(shù)值，可以選擇適當(dāng)?shù)母粽鹣到y(tǒng)，以降低地震引起的結(jié)構(gòu)振動[2]。

2.減震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 合理選擇建筑場地

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，選擇合適的建筑場地是至關(guān)重要的一步，特別是在考慮減震技術(shù)應(yīng)用時。減震技術(shù)旨在減少地震對建筑物的破壞性影響，提高抗震性能。因此，選擇一個適當(dāng)?shù)膱龅乜梢詾闇p震技術(shù)的有效應(yīng)用提供良好的基礎(chǔ)。第一，地質(zhì)勘察是場地選擇的首要步驟。地質(zhì)勘察的目標(biāo)是了解場地的地質(zhì)特征，包括土壤類型、地下水位、地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)條件。這些因素直接影響到地震地面運動在場地上的傳播情況。設(shè)計師需要詳細(xì)了解場地的地質(zhì)特征，以確定潛在的地震危險性；第二，地震地質(zhì)條件是另一個重要的考慮因素。地震地質(zhì)條件是指地下巖層的地震特性，包括地震波的傳播速度、能量傳遞、反射和衰減等。不同地震地質(zhì)條件對地震響應(yīng)有顯著影響。設(shè)計師務(wù)必要清楚了解場地的地震地質(zhì)條件，以選擇合適的減震技術(shù)。例如，對于軟土地基，可能需要采用更復(fù)雜的減震系統(tǒng)，而對于堅實的巖石地基，可以選擇更簡單的減震方案；第三，場地響應(yīng)分析是確定場地地震性能的關(guān)鍵步驟。這種分析是通過將地震作用于建筑物的地基來模擬建筑物在地震中的響應(yīng)。場地響應(yīng)分析需要考慮地質(zhì)勘察和地震地質(zhì)條件的數(shù)據(jù)，并結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的參數(shù)，如質(zhì)量、剛度和阻尼。設(shè)計師在進行場地響應(yīng)分析時，應(yīng)該使用多種數(shù)值模擬方法，如有限元分析和時程分析，來模擬建筑物的地震響應(yīng)。通過這些分析，工程師可以評估建筑物的地震性能，包括位移、應(yīng)力和加速度。

2.2 優(yōu)化設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)

建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計在減震技術(shù)應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。通過合理布置結(jié)構(gòu)的平面和豎向構(gòu)件，可以實現(xiàn)有效的減震效果。一是平面布置方面，應(yīng)遵循平面簡單化和規(guī)則化的原則。建筑結(jié)構(gòu)的平面布置應(yīng)盡量簡單，避免復(fù)雜的幾何形狀。規(guī)則化的布置可通過在建筑結(jié)構(gòu)的兩個方向上對稱設(shè)置抗側(cè)力構(gòu)件來實現(xiàn)。這有助于保持質(zhì)心和剛心的重合，從而降低地震作用時的扭矩和位移。通過平面簡單性和規(guī)則性規(guī)劃設(shè)計，有助于均勻分布地震力，提高建筑的整體穩(wěn)定性；二是豎向構(gòu)件的合理布置。豎向構(gòu)件應(yīng)沿著建筑的高度均勻分布，以保持連續(xù)性和一致性，能夠有效防止側(cè)向剛性和承載能力的突變引起的變形問題。而均勻分布的豎向構(gòu)件也可以提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，并有效減小地震引起的振動，由此很好的規(guī)避結(jié)構(gòu)在地震中出現(xiàn)局部損傷；三是設(shè)計中應(yīng)避免采用頭重腳輕的形狀。這意味著結(jié)構(gòu)的質(zhì)量應(yīng)在豎向上分布均勻，而不應(yīng)集中在頂部或底部。頭重腳輕的形狀可能導(dǎo)致應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)的扭曲，從而可以降低結(jié)構(gòu)的整體剛度。為避免這種情況，設(shè)計師應(yīng)確保質(zhì)量的均勻分布，以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性能。

2.3 結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)是一項關(guān)鍵的抗震措施，旨在通過吸收和分散地震能量來減小地震對建筑物的破壞性影響。這種技術(shù)的應(yīng)用需要設(shè)計師采用一系列技術(shù)措施，以確保結(jié)構(gòu)在地震中能夠穩(wěn)定地吸收和耗散能量，保護人員的生命安全。

（1）一項關(guān)鍵的技術(shù)措施是采用耗能材料。耗能材料是指能夠在地震中吸收和耗散能量的特殊構(gòu)造材料。常見的耗能材料包括粘滯阻尼器、摩擦隔震器和彈性減震裝置。這些材料的特點是具有可控的耗能性能，可以通過設(shè)計來滿足特定的抗震要求。例如，粘滯阻尼器利用粘滯材料的特性，將地震引起的動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而減小結(jié)構(gòu)的振動。摩擦隔震器則通過表面間的摩擦產(chǎn)生抗力，降低地震作用下的位移；

（2）結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)需要合理的結(jié)構(gòu)配置。這包括結(jié)構(gòu)的剛度和彈性分布的設(shè)計。通常，較柔軟的結(jié)構(gòu)部分用于吸收地震能量，而較剛硬的部分用于提供結(jié)構(gòu)的支持和穩(wěn)定性。這種配置的目標(biāo)是確保結(jié)構(gòu)在地震中能夠發(fā)揮彈性能力，而不至于立即失穩(wěn)。這通常需要采用剛性框架和支撐系統(tǒng)，與耗能裝置相結(jié)合，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體性能；

（3）結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和控制是另一個重要的技術(shù)措施。建筑結(jié)構(gòu)需要實時監(jiān)測其振動和位移情況，以便在地震發(fā)生時及時采取控制措施。這通常涉及到使用傳感器和控制系統(tǒng)，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的狀態(tài)并進行反饋控制。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到地震力的作用時，控制系統(tǒng)可以通過調(diào)整耗能裝置的性能來保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這有助于減小地震引起的破壞，同時最大程度地維護結(jié)構(gòu)的完整性[3]。

2.4 無粘結(jié)鋼支撐體系

無粘結(jié)鋼支撐體系的核心原理是將鋼支撐元件與建筑結(jié)構(gòu)的主體部分分離，以減小地震引起的側(cè)向位移和加速度傳遞。在實際應(yīng)用中，無粘結(jié)鋼支撐體系需要經(jīng)過精心的設(shè)計和施工，以確保其有效性。首先，在設(shè)計階段，工作人員需要考慮結(jié)構(gòu)的減震需求，并確定無粘結(jié)鋼支撐的位置和數(shù)量。為充分發(fā)揮出無粘結(jié)鋼支撐體系的應(yīng)用價值，必須要求設(shè)計師綜合材料強度等進行選擇，由此才能夠確保支撐元素在地震中不會失效。在接下來無粘結(jié)連接設(shè)計時也需要精心考慮，維持支撐元素能夠自由移動，同時保持與主體結(jié)構(gòu)的連接，這通常涉及到使用特殊的連接元件和關(guān)節(jié)。在后期施工過程中，還應(yīng)該保證支撐元素的安裝和連接是準(zhǔn)確的。通過精細(xì)化材料檢查、焊接質(zhì)量檢驗和連接合適性檢查等措施，以不斷提高整個施工水平。工作人員完成安裝任務(wù)后，務(wù)必要開展長期定期監(jiān)測和維護，這有助于確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

3.工程案例

在過去的幾十年里，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的隔震減震技術(shù)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，以提高建筑的抗震性能。接下來將通過分析某一工程案例，探討這些技術(shù)的應(yīng)用，并提供具體參數(shù)和數(shù)據(jù)表格，以更好地理解其效果和益處。

某地區(qū)城市大廈位于地震多發(fā)區(qū)域，是一座高層建筑，設(shè)計用途為商業(yè)和住宅混合。本案例旨在探討隔震和減震技術(shù)在提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能方面的應(yīng)用。其中，設(shè)計師采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)，具體參數(shù)如下：

（1）隔震器類型：城市大廈采用了基礎(chǔ)隔震器，主要是基礎(chǔ)橡膠隔震器。

（2）隔震器剛度：橡膠隔震器的剛度為800kN/mm。

（3）隔震器數(shù)量：共有120 個基礎(chǔ)隔震器。

（4）隔震器安裝深度：隔震器安裝在地下10 米深度。

下面是一個關(guān)于基礎(chǔ)隔震器性能的數(shù)據(jù)表格。

表1 基礎(chǔ)隔震器性能數(shù)據(jù)表

另外，設(shè)計師還采用結(jié)構(gòu)減震技術(shù)，主要以液壓減震器為主，用于減小建筑結(jié)構(gòu)的搖擺。在規(guī)劃期間共布設(shè)40 個液壓減震器，分布在建筑結(jié)構(gòu)不同層次。

通過上述隔震抗震技術(shù)的應(yīng)用措施，城市大廈的隔震和減震技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了其抗震性能。主要表現(xiàn)如下：一是最大地震位移減小：使用基礎(chǔ)隔震器和結(jié)構(gòu)減震器，城市大廈在一次大地震中的最大位移減小了60%。這意味著建筑在地震中的搖擺幅度明顯減小，降低了對建筑結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備的損壞風(fēng)險。二是減震力的發(fā)揮：結(jié)構(gòu)減震器的最大減震力達到了200kN，有效地減小了地震引起的結(jié)構(gòu)振動。這有助于維護建筑物的穩(wěn)定性，同時減少了對租戶和業(yè)主的影響。三是建筑物整體穩(wěn)定性：隔震和減震技術(shù)的應(yīng)用使城市大廈在地震中能夠保持較高的整體穩(wěn)定性。這意味著建筑可以繼續(xù)使用，而無需大規(guī)模維修或拆除。四是減小損失：通過減小地震引起的損害，城市大廈在經(jīng)濟上也受益。維護和修復(fù)成本大大降低，同時減少了業(yè)主和租戶的財產(chǎn)損失?？傊鞘写髲B的案例為我們提供了一個典型的示范，充分展示了隔震和減震技術(shù)在提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能方面的有效應(yīng)用。通過基礎(chǔ)隔震器和結(jié)構(gòu)減震器的組合，城市大廈在地震中表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，減小了損失，提高了建筑的可持續(xù)性。這個案例強調(diào)了隔震減震技術(shù)在地震多發(fā)地區(qū)建筑設(shè)計中的重要性，以保護人們的生命和財產(chǎn)[4-11]。

結(jié)語：

在本篇論文中，深入探討了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的隔震和減震技術(shù)。這些技術(shù)是抗震工程領(lǐng)域的重要創(chuàng)新，為改善建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了強大的工具。通過隔震技術(shù)，設(shè)計師能夠?qū)⒔ㄖ锱c地基之間引入隔震裝置，以降低地震力的傳遞。這有助于減小地震引起的結(jié)構(gòu)振動，提高建筑物的整體穩(wěn)定性。此外，減震技術(shù)通過吸收和分散地震能量，進一步減小了地震對建筑結(jié)構(gòu)的損害。此外，內(nèi)容還討論了建筑場地的選擇和結(jié)構(gòu)配置對于減震技術(shù)的成功應(yīng)用的重要性。通過合理選擇場地和配置結(jié)構(gòu)，可以最大程度地提高抗震性能。最后，文章強調(diào)了減震技術(shù)的應(yīng)用對于減小地震對人們的生命安全和財產(chǎn)損失產(chǎn)生的積極影響。這些技術(shù)的不斷發(fā)展和改進為人員提供了更可持續(xù)和安全的建筑環(huán)境。通過深入了解和應(yīng)用隔震和減震技術(shù)，各大行業(yè)人士可以更好地準(zhǔn)備和應(yīng)對地震風(fēng)險，為社會的可持續(xù)發(fā)展和人們的安全提供更強有力的支持。