建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的隔震減震設(shè)計(jì)研究

【摘要】隨著建筑工程領(lǐng)域的快速發(fā)展，對建筑結(jié)構(gòu)安全和建筑結(jié)構(gòu)防震等都提出了很高要求。因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)明確意識建筑隔震減震設(shè)計(jì)的重要性。文中詳細(xì)地分析了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的隔震減震設(shè)計(jì)問題，并結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際情況，提出合理性參考建議，希望在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分展現(xiàn)出建筑隔震減震設(shè)計(jì)自身價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】隔震減震；建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)研究

【中圖分類號】TU352 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）09-0088-03

0 引言

建筑工程項(xiàng)目建設(shè)期間，影響建筑結(jié)構(gòu)安全的因素比較多。一旦某個(gè)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生安全問題，將會嚴(yán)重影響建筑整體安全。為了給人們提供安全、舒適的建筑環(huán)境，建筑工程應(yīng)注重優(yōu)化與完善建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保隔震減震設(shè)計(jì)滿足建筑工程質(zhì)量要求，從而為建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全等提供可靠保障。

1 隔震減震設(shè)計(jì)意義

在建筑工程施工作業(yè)過程中，為充分展現(xiàn)建筑自身功能，應(yīng)全面提高建筑工程施工質(zhì)量，加強(qiáng)施工安全管理。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中開展隔震減震設(shè)計(jì)，工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能要求，持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提高人們居住的安全性以及居住品質(zhì)[1]。

2 隔震減震的設(shè)計(jì)原則

1）簡化性。通過簡化建筑結(jié)構(gòu)，有效提高建筑整體抗震性能。在進(jìn)行隔震減震設(shè)計(jì)時(shí)，需要做好建筑結(jié)構(gòu)簡化，防止設(shè)計(jì)方案過于復(fù)雜。以性能、設(shè)計(jì)技術(shù)等多個(gè)方面作為切入點(diǎn)，通過合理預(yù)留相應(yīng)活動空間，更好展現(xiàn)出建筑結(jié)構(gòu)自身抗震性能。

2）抗拉性。建筑結(jié)構(gòu)抗拉性能是影響整體隔震減震效果的關(guān)鍵因素。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對各結(jié)構(gòu)的耐久性和抗拉性能進(jìn)行充分評估和控制，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。應(yīng)采用先進(jìn)的技術(shù)手段，深入研究結(jié)構(gòu)的受力特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高建筑抗震性能。同時(shí)，還應(yīng)考慮材料選擇和施工質(zhì)量，以確保建筑結(jié)構(gòu)在地震等自然災(zāi)害面前能夠保持結(jié)構(gòu)安全。通過全面的設(shè)計(jì)方法，有效提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，減少地震等自然災(zāi)害對建筑造成的損害。

3）整體性。設(shè)計(jì)應(yīng)從全局出發(fā)，深入分析結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和抗震需求，全面考慮隔震減震設(shè)計(jì)策略，制定科學(xué)合理的隔震減震方案，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保設(shè)計(jì)方案能夠充分發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)的整體隔震減震功能。

設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵循隔震減震設(shè)計(jì)原則，綜合分析建筑結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性、安全性等多個(gè)方面的影響因素，并根據(jù)施工現(xiàn)場、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求等，不斷完善隔震減震設(shè)計(jì)方案，有效提高整體設(shè)計(jì)水平[2]。

3 隔震減震設(shè)計(jì)分析

3.1 工程概況

以某地幼兒園建設(shè)工程項(xiàng)目為實(shí)例分析。工程項(xiàng)目占地面積3 175 m2，建筑高度16 m，結(jié)構(gòu)使用年限50年。項(xiàng)目選址區(qū)域?yàn)?度抗震設(shè)防烈度，基本地震加速度峰值0.2 g，場地類型歸類為Ⅱ類，場地周期0.4 s。

在建筑設(shè)計(jì)中，采用了先進(jìn)的隔震與減震技術(shù)策略。上部結(jié)構(gòu)體系選用混凝土框架結(jié)構(gòu)，隔震層設(shè)置于首層樓板之下，以有效緩解地震波對上部結(jié)構(gòu)的沖擊。此外，為進(jìn)一步增強(qiáng)基礎(chǔ)工程穩(wěn)固與安全，設(shè)計(jì)中特別引入了高強(qiáng)度混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)，提升了基礎(chǔ)的承載力，增強(qiáng)其抗震性能，確保幼兒園建筑在復(fù)雜地質(zhì)條件下的安全與穩(wěn)定。

3.2 隔震減震設(shè)計(jì)內(nèi)容

建筑設(shè)施中隔震措施呈現(xiàn)出多樣化特征。為了充分展現(xiàn)出建筑結(jié)構(gòu)自身隔震效果，設(shè)計(jì)人員需要不斷完善隔震層設(shè)計(jì)方案[3]。通過實(shí)地考察，選擇適合的隔震方案與隔震材料，并做好隔震措施的落實(shí)工作，可以取得明顯的隔震設(shè)計(jì)效果。

1）特殊材料地基隔震設(shè)計(jì)。在基礎(chǔ)工程處理階段，尤為關(guān)鍵的是墊層鋪設(shè)，旨在有效緩解地震波對建筑結(jié)構(gòu)可能造成的負(fù)面沖擊，確保建筑在地震等自然災(zāi)害中的穩(wěn)定與安全。規(guī)劃采用特殊材料地基隔震設(shè)計(jì)方案，核心策略聚焦于通過材料的特定性質(zhì)來消耗地震能量，以此顯著提升建筑整體的抗震性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。在墊層構(gòu)造中，選材至關(guān)重要。一般而言，黏土與砂等天然材料不僅能夠有效分散和吸收地震波的能量，還能在一定程度上調(diào)節(jié)地基剛度與阻尼特性，從而實(shí)現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)的良好保護(hù)。

2）基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)。在基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)工作時(shí)，需要充分考慮隔震裝置設(shè)施，并在上部與基礎(chǔ)建筑設(shè)施中間位置進(jìn)行合理安裝，以確保建筑結(jié)構(gòu)整體隔震設(shè)計(jì)效果。然而，在具體施工作業(yè)時(shí)，會受到多方面因素影響。采用傳統(tǒng)基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)方式，很難展現(xiàn)出自身隔震效果，并使建筑設(shè)施自震時(shí)間延長，導(dǎo)致建筑設(shè)施重量加重。因此，建筑設(shè)計(jì)需要結(jié)合建筑設(shè)施具體情況，對基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理調(diào)整。

3）結(jié)構(gòu)懸掛隔震設(shè)計(jì)。建筑結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)懸掛隔震設(shè)計(jì)方案，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，能夠更好保障建筑結(jié)構(gòu)自身安全。結(jié)構(gòu)懸掛隔震設(shè)計(jì)方案主要在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中進(jìn)行合理應(yīng)用，在設(shè)計(jì)上有嚴(yán)格要求。通常將子框架與主體框架進(jìn)行有效結(jié)合，可以防止地震對子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

4）層間隔震設(shè)計(jì)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用層間隔震設(shè)計(jì)主要是有效解決對基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)中存在的問題。將隔震裝置安裝在建筑結(jié)構(gòu)中的樓板與某層柱子之間，能夠起到減輕裝置重量的作用，并合理節(jié)約更多施工成本。層間隔震設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，層間隔震設(shè)計(jì)主要優(yōu)勢在于可以避免地震對下部建筑結(jié)構(gòu)造成不同程度上的破壞。

3.3 隔震減震設(shè)計(jì)方案

在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組件選用鉛芯橡膠隔震支座與天然橡膠隔震支座。在支座直徑確定、數(shù)量配置以及平面布局規(guī)劃時(shí)，嚴(yán)格遵循GB/T 51408—2021《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，確保設(shè)計(jì)方案的合理性與科學(xué)性。

1）為確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性，同一隔震層內(nèi)的所有橡膠隔震支座在承受豎向荷載時(shí)，須保持其壓力分布的均勻性，且壓力水平不得超過乙類建筑所規(guī)定的限值上限。

2）針對極端地震工況的潛在影響，設(shè)計(jì)應(yīng)特別關(guān)注乙類建筑中的隔震支座表現(xiàn)。要求在罕遇地震作用下，隔震支座不得產(chǎn)生拉應(yīng)力，以維護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性。即便在少數(shù)情況下出現(xiàn)拉應(yīng)力，其值必須嚴(yán)格控制在1 MPa以內(nèi)，同時(shí)，壓應(yīng)力則需保持在25 MPa的安全界限之內(nèi)，以此保障建筑在極端條件下的穩(wěn)定與安全。

3）在嚴(yán)格遵循既定標(biāo)準(zhǔn)和要求的基礎(chǔ)上，在地震作用下，隔震支座水平變位需要低于其有效直徑的0.55倍。

4）偏心率、水平恢復(fù)率等要求均要達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范。

5）鉛芯隔震支座在布置期間，盡量設(shè)在周圍位置。

工程項(xiàng)目在隔震減震設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用的支座數(shù)量共39個(gè)，支座類型、數(shù)量以及力學(xué)性能均以具體規(guī)范和要求為基準(zhǔn)。

3.4 具體設(shè)計(jì)

1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件性的目標(biāo)。以GB/T 51408—2021《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，充分了解不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能要求。在隔震減震設(shè)計(jì)過程中，將結(jié)構(gòu)不同位置構(gòu)件定義為不同的性能指標(biāo)。對關(guān)鍵構(gòu)件，性能目標(biāo)是中震抗剪彈性、抗彎彈性構(gòu)件的名稱為抗震層的下支墩、上支墩以及與之相連的框架梁。針對普通豎向以及重要水平構(gòu)件，性能目標(biāo)與上述一致。

2）設(shè)防地震隔震結(jié)構(gòu)指標(biāo)。在確立隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，偏心率的精確計(jì)算與合理控制顯得尤為重要。作為隔震層支座布置的關(guān)鍵因素，偏心率的合理性直接關(guān)系到隔震效果的實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)的規(guī)范性以及整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以，在偏心率設(shè)計(jì)方面，應(yīng)該以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。在對隔震層設(shè)計(jì)時(shí)，X向?yàn)?.18%，Y向?yàn)?.02%，與既定要求吻合，結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標(biāo)分類如表1所示。

3）隔震上部結(jié)構(gòu)變形。依據(jù)相應(yīng)規(guī)范的指導(dǎo)，在對樓層最大彈性層間充分掌握的基礎(chǔ)上，采用合理的方式，加大控制力度，保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系整體健全。設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮不同位置對上層間位移角的規(guī)范限制，以實(shí)現(xiàn)對位移角的精確控制。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)提取的變形結(jié)果各項(xiàng)數(shù)據(jù)，上部結(jié)構(gòu)層間的位移角小于1/400，能夠達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)和要求。

3.5 隔震模型與非隔震模型結(jié)果比較

1）周期比較。遵循GB/T 51408—2021《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，在隔震減震設(shè)計(jì)過程中，提取兩個(gè)子模型的前三階周期數(shù)據(jù)，并進(jìn)行詳盡比較分析。如表2所示，隔震后周期顯著延長，且X向與Y向的振型特征未呈現(xiàn)顯著差異，進(jìn)一步驗(yàn)證了減震效果的顯著性與設(shè)計(jì)的合理性。

2）結(jié)構(gòu)基底剪力比較。隔震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)底部剪力比和相應(yīng)的抗震等級來合理制定。通過對兩種模型的樓層剪力結(jié)果進(jìn)行比較，最大的樓層剪力比為0.32，符合規(guī)范對結(jié)構(gòu)上部抗震措施降低標(biāo)準(zhǔn)的需要，實(shí)現(xiàn)了初步設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)定減震目標(biāo)。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的隔震減震設(shè)計(jì)相關(guān)建議

4.1 合理選擇建筑場地

為充分展現(xiàn)隔震減震設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)施價(jià)值，需要對施工當(dāng)?shù)亻_展系統(tǒng)性的地震安全檢測工作，并深入分析檢測結(jié)果。需要結(jié)合具體情況，科學(xué)調(diào)整隔震減震設(shè)計(jì)方案，能夠有效提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。在選擇建筑場地期間，需要對抗震條件好的區(qū)域進(jìn)行科學(xué)選擇，防止在多發(fā)自然災(zāi)害區(qū)域開展工程建設(shè)。

4.2 優(yōu)化隔震減震構(gòu)造

地震會對多層建筑、高層建筑等結(jié)構(gòu)造成很大破壞，需要對隔震層進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，以對地震沖擊力進(jìn)行抵擋，確保建筑結(jié)構(gòu)的自身質(zhì)量，避免建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移現(xiàn)象。進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在隔震減震結(jié)構(gòu)方面應(yīng)對隔離縫進(jìn)行合理設(shè)置，科學(xué)控制隔離縫寬度，做好橫向與豎向隔離縫設(shè)計(jì)。在隔震減震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮電氣強(qiáng)弱系統(tǒng)與排水管道，避免出現(xiàn)水平位移。

4.3 優(yōu)化保養(yǎng)與維護(hù)工作

隔震減震設(shè)施在長期使用以后，會逐漸降低建筑結(jié)構(gòu)的隔震減震效果，并縮短整體使用壽命。在實(shí)施隔震減震構(gòu)造過程中，應(yīng)結(jié)合具體情況，制定完善的維護(hù)策略，以更好地保障隔震減震設(shè)計(jì)效果[4]；應(yīng)對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)更換，防止建筑物隔震減震設(shè)施在長期使用后發(fā)生疲勞破壞。

4.4 建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量應(yīng)實(shí)際滿足國家標(biāo)準(zhǔn)

在開展建筑工程項(xiàng)目建設(shè)期間，應(yīng)確保建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際滿足國家對建筑結(jié)構(gòu)的抗震標(biāo)準(zhǔn)，避免由于地震給建筑企業(yè)、人員安全等造成威脅。為充分體現(xiàn)隔震減震設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)充分了解國家抗震原則、隔震減震設(shè)計(jì)原則、建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求等規(guī)范，制定完善的實(shí)施方案，這有利于逐漸提升建筑結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量與建筑結(jié)構(gòu)的安全性[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，以傳統(tǒng)抗震方法和現(xiàn)行隔震減震研究為基礎(chǔ)，對抗震途徑合理選擇，選取合適的隔震設(shè)施，能夠確保結(jié)構(gòu)安全、可靠和穩(wěn)定。采用鉛芯橡膠隔震支座和天然橡膠隔震支座進(jìn)行隔震減震設(shè)計(jì)，不僅可以滿足國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，抗震效果也能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。因此，工程設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)對隔震減震技術(shù)研究，以保證地震對建筑的影響降到最低。

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[作者簡介]隋英杰（1982—），女，遼寧普蘭店人，本科，工程師，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)管理。