建筑结构的隔震与消能减震的

摘要:伴随我国经济的飞速发展，建筑业有了很大的发展，人们对建筑物安全性、耐久性与适用性的要求不断提高。我国地域广阔、地震灾害发生范围较广，加上近年来地壳活动异常活跃，地震频发，就建筑结构隔震、减震的研究也活跃起来。本文在参考了多个文献资料后，通过对地震作用所造成的危害的研究，分析传统抗震方法的不足，通过对隔震及减震原理的分析，重点阐述几种隔震减震方法，希望能为以后建筑结构的设计提供理论借鉴，减少自然灾害对人们生命、财产安全的威胁。关键词：隔震消能减震抗震设计0概述地震是一种自然现象，全世界每年大约发生500万次地震，大多数地震都需灵敏的仪器才能测量到，而人能直接感知的也就大约占1%左右。我国是多地震国家，地震区分布广大，历次大地震给人民生命财产带来了巨大损失。建筑物除了承受竖向荷载外，还要承担风和水平地震荷载的作用，建筑物越高，这个水平荷载效应就越明显。我国41%的国土、50%以上的城市位于地震烈度7度以上的地区，面临的地震灾害形势非常严峻。地震是人类面临的最严重的突发性的自然灾害之一，对人类社会造成很大的危害:1976年唐山发生的7.8级强烈地震，倾刻间，百余万人口工业城市被夷为平地，造成24.2万人死亡，16.4万余人重伤。自1900年有记录以来，我国死于地震的人数达55万之多，占全球地震死亡人数的53%。随着经济的高速发展，城市化使人口和财富高度密集，强烈地震造成的伤亡和损失将越来越大，地震后的修复和城市的复兴就越有难度，对国家经济发展和社会稳定的冲击也将更为剧烈。近些年来，四川的汶川地震、青海的玉树地震以及最近的日本地震都造成了巨大损失，这都是有目共睹的。因此在建筑结构设计中是否充分考虑抗震问题、是否合理的运用了相关的抗震措施是事关人民生命财产安全的重要问题。建筑结构中的抗震设计尤为重要。隔震和消能减震是建筑结构减轻地震灾害的有效技术。适应我国经济发展的需要，有条件的利用隔震和消能减震来减轻建筑结构的地震灾害，是完全可能的。我国的抗震设防目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。这就要求结构构件具有足够的承载力和塑性变形能力。而传统的结构抗震是依靠结构自身的抵抗能力，让建筑物基础固结于地面，但地震反应的特点是由底向上逐渐放大，为了保证建筑物的安全，提高结构的承载力，必须加大构件的截面，这样既造成了较多的材料消耗，也使建筑物自重增大得不偿失。隔震和耗能减震是建筑结构减轻地震灾害的新技术、新方法和新途径。所谓隔震就是立足于“隔”，利用专门的隔震元件，以集中发生在隔震层的较大位移为代价，阻隔地震能量向上部结构的传递，使建筑物有更高的可靠性和安全性。1传统抗震方法的不足以及隔震技术的发展地震造成的破坏给人类留下的烙印是深刻的，建造抗强烈地震的建筑物和构筑物成为建筑工程领域重要的课题。为了抵御地震灾害，通常的建筑结构设计采用的是抗震设计，强调的是“抗”，即采用“延性结构体系”适当控制结构物的刚度，但容许结构构件(如梁、柱、墙、节点等等)在地震时，进入非弹性状态，并且具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反映，使结构物“裂而不倒”。这种体系在很多情况下是有效的，但也存在很多局限性:首先，由于结构物的承重构件在地震时进入非弹性状态，对某些重要的结构物是不容许的(纪念性建筑、装饰昂贵的现代化建筑、原子能发电站等);其次，对于一般性建筑，当遭遇超过设防烈度地震时，由于主体结构已发生严重非弹性变形，在地震后难以修复或在强地震中严重破坏，甚至倒塌，其破坏程度难以控制;再次，随着地震强度的增大，结构的断面和配筋都相应增大，造成经济的“浪费”。地震动示意图传统结构抗震基础隔震结构随着科技高速发展和节能环保为主题的今天，对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高，使“延性结构体系”的应用日益受到限制，传统的抗震结构体系和理论越来越难以满足要求，而由于隔震、消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，在未来的建筑结构中将得到越来越广泛的应用。上世纪末，有专家学者设想在建筑物上部结构和基础之间设滑移层作为隔离装置，阻止地震能量向上传递。1921年日本东京的帝国饭店基础，采用了密集短桩穿过硬土层，伸到软泥层底部，利用软泥土层作为“隔震垫”的做法,这一隔震设计方法使该建筑在1923年的关东大地震中保存完好。早期的隔震建筑还有南斯拉夫的贝斯特洛奇小学、新西兰的威廉·惠灵顿大楼等。美国与日本的有些隔震建筑也分别在洛杉矶北岭的6.8级地震和日本阪神的7.2级地震中经受了考验。我国从上世纪60年代开始关注隔震理论的研究，近年来已取得了很多成果与经验。我国隔震建筑目前已应用于多个省市自治区，已设计和建成的隔震房屋数量仅次于日本，其中较有代表性的有:汕头全国第一幢隔震住宅楼，被联合国评价为“世界隔震技术发展的第三个里程碑”；北京通惠家园住宅区隔震住宅楼；全国第一座铁路隔震桥梁———新疆布谷孜大桥(9孔，各32m)；全国第一座隔震公路桥梁———石家庄石津渠桥(3孔，各14m)等。我国在《国务院关于加强防灾减灾工作的通知》(国发〔2004〕25号文)中提出了防灾减灾的奋斗目标，势必对隔震减震技术的发展有新的推动作用。康2蜘躬隔震、消能减尽震盈2.1哑朴减振与隔振的筐概念替旗浸膊减振是工程上纳防止振动危害绝的主要手段。愤减振可分为主范动减振和被动票减振。主动减球振是在设计时疗就考虑消除振风源或减小振源榜的能量或频率派，被动减振有镰隔振和吸振等马。隔振又可分荷为主动隔振和露被动隔振。保2.2袭量隔震与消能减肉震原理分析稼传统的建筑结追构设计鹊以理“衡小震不坏、中乏震可修、大震蛛不希倒梢”鼠为建筑设计的旧设防标准。按淹这种设防标准虽设计的建筑结捏构在遇到小、做中型地震时，内依赖结构吸收疑、消耗地震带参来的能量具有愚可行性。这种在建筑结构在设沈计时虽然采取显严格的设计，河但在遇到超过渠设计所能抵抗撕的大地震时，烘仍不能保证建梯筑结构的安全蛾。这也使得很从多专家致力于粘寻找在各方面漏优于传统建构削结构设计的新题体系关。候纸2.2.1膨玉建筑结构的隔毛震原理溉茶隔震设计是指诚在房屋底部设种置由橡胶隔震甲支座和阻尼器罩等部件组成的锅隔震层，以延古长整个结构体而系的自振周期呼，增大阻尼，墙减少输入上部蚁结构的地震能碍量，达到预期蒸的防震要求。邮也就是说，通肠过隔震层的大号变形来减少上蛇部结构的地震模作用，减轻地熊震破坏程度，蠢使建筑物只发腐生轻微运动和爹变形，从而保门障建筑物的安肾全，隔震一般盒可使结构的水南平地震加速度返反应降稳低剥60阔%压左右摘。假那19答9钉1乔年，橡胶垫隔嚷震减震器获美滔国发明专利，歼它是一层橡胶戴一层钢板的多但层反复重叠，摄并在其中心部喷位钻孔，安放起铅芯棒所组合榜而成的装置。赔我国较成熟的倘隔震支座包括荒中硬度橡胶隔剩震支座、低硬丛度橡胶支座、茫滑板支座和弹急性滑板支座等福。鼠彻展建筑结构隔震烛层的设计改变旧了建筑上部结葱构的周期，从父而降低了上部文结构对地震的饲反应，进而确坛保了上部结构眼即使在遇到强仓烈地震时也仍棋处于弹性状态请，甚至能保持碍在自然弹塑性船变形的初期状触态。隔震体系帽抗震措施简单牧明了，还能降标低房屋造价，誉而且震后修复奥方便，震后只解需对隔震装置掏进行必要的检亏查更换，有明喘显的社会效益极和经济效益。拍2.2.2晕闯耗能减震结构菊原理虑蓄旅消能减震设计换指在房屋结构要中设置消能装摇置，通过其局洲部变形提供附背加阻尼，以消护耗输入上部结经构的地震能量摊，从而使主体林结构构件在罕盏遇地震下不发擦生严重破坏。布当建筑结构承怀受地震带来的藏能量时，耗能诊装置和耗能部藏件通过产生弹坡塑性来滞回变把形，从而，吸植收、消耗地震抓带来的巨大能讽量，减少主体轮建筑结构受地虏震巨大能量的逆影响，进而达划到减振、控震余的目的。遗消能装置通常处由阻尼器、耗舟能支撑等组成坡。消能部件可昂根据需要沿结签构的两个主轴驼方向分别设置询，宜设置在层紫间变形较大的粮位置，消能器勉应具有足够的叫吸收和耗散地锋震能量的能力匠和恰当的阻尼朽。消能装置不伶改变结构的基陶本形式，房屋狠的抗震构造与粮普通房屋相比淹不降低，其抗骡震安全性可有赵明显的提高。较此外，消能装枣置应安装在便牌于维护人员接坚近和操作的位争置。再消能减震技术登具有构造简单兔、造价低廉、踏适用范围广、合维护方便等优叹点，既适于新欠建工程，也适米用于已有建筑昂物的抗震加固屋改造；既适用搅于普通建筑结酱构，也适用于陶抗震生命线工啊程。令2.3负羊隔震与消能减腊震的设计步陵骤坚橡2.3.1插猎隔震设计的步茄骤伙(1挎)填隔震方案的确掩定。约隔震方案的确意定应综合考虑棒建筑物高度和理层数、最大高纤宽比、结构类颈型、场地等因王素。隔震技术酸对体型基本规票则的低层和多他层建筑比较有嫩效，对高层建誉筑的效果不大照。隔震方案在残选用时，建筑大场地宜警为光Ⅰ济、拒Ⅱ设、怀Ⅲ缩类，并应选用须稳定性好的基姨础类型。为保酷证隔震结构具偏有可靠的抗倾叫覆能慧力誉,巩风荷载和其他着非地震水平荷工载标准值产生本的总水平力不或宜超过结构总旅重力便的多10拜%辞。完陕(2料)予确定隔震层位会置。牵庄适隔震层宜设置妄在结构第一层欧以下的部位，转橡胶隔震支座帅设置在受力较薪大的位置，其岂规格、数量和碧分布根据竖向壮承载力、侧向郊刚度和阻尼的搏要求通过计算乞确定。隔震层男在罕遇地震下岂应保持稳定，肠不宜出现不可办恢复的变形；央隔震层橡胶支剥座在罕遇地震伞作用下不宜出紫现拉应力。亡(3竭)乡隔震支座的选杂型、布置。崇麦名由上部结构计辟算出每个支座宾上的轴向力，粉确定出每个支暖座的直径，进扮行隔震支座的症平面布置，隔猫震支座布置时亭应力求使质量矛中心和刚度中晓心一致靠。疼柿(4你)煤计算水平减震洋系数；计算隔鞋震后各层分布涂的地震力。伞蚕徐按减震系数进秘行设计，隔震适层以上结构的颗水平地震作用苍和抗震验算，沙构件承载力大浆致留封有氧0.土5幸的安全储备犬。炊晓(5茄)摊验算隔震层的捷水平位移风。超裂(6榨)扁隔震层下部的丹计算。多个隔碎震支座的水平孝剪力按刚度分摆配船。只茧(7穿)天由于橡胶隔震保支座对竖向地着震没有隔震效造果，还需验算握竖向地震作用还。亮招(8蜘)霜构造要求。可隔震层顶部应黎设置平面内刚虫度足够大的梁闪板体系。隔震皮支座附近的梁俱、柱应加密箍肯筋，必要时配颗置网状钢筋。玻凭译有关隔震层和途上部结构的其玻他措施按规范荐规定采用。脱2.3.2甘堪消能减震设计毕步骤昆计算消能减震去结构的关键是嚷确定结构的总累刚度和总阻尼他。舅够根据建筑物的语重要性标准、夫设防烈度、场肠地条件等因素乖，结合罕遇地荒震作用下预期附结构位移控制遍要求，确定结而构的减震要求垫。竞挺(2少)滑确定结构构件雀的断面尺寸俘。煮汇(3飞)彼选择消能器及致其类型，确定描消能器数量和把分布宾。么夫(4策)愁选择合适的分哭析方法进行消膊能减震抗震设哗计树。忠荐(5唱)曾采取必要的构饮造措施。饿2.4伐蹦隔震与减震技是术东粘弹性阻尼结客构各层律街粘弹性阻尼结辫构的风洞试验重、地震模拟振寺动台试验及大谱量的结构分析使表明，在结构针中安装粘弹性释阻尼器可减小插风振反应和地凡震反砍应源40顺椅～径80桌%枣，可确保主体轧结构在强风和计强震中的安全鼓性，并使结构学在强风作用下足，结构的舒适控度控制在规定炕的范围内。西哄雅图哥伦比亚篮中心大厦起初奇是因为在风振膜的影响下，顶凳部几层有明显李的不舒适感，萌按上粘弹性阻榨尼器后，不再换有不舒适感，途效果良好。若蝶采用加大刚度虑的方法来获得削同样的效果，蓬需要把现有的肥柱尺寸扩大一扫倍，价值震约掩80疲0清万美元，显然浮采用增加刚度咏的办法在经济莲方面是难以接绳受的，而采用量粘弹性阻尼器水所用的试验及傍安装费用榨仅宗7跨0权万美元。在北散京的银泰中心格也设置了粘滞熟阻尼器，试验糖结构证明有很其好的减震效果贷。由此可见，巡采用粘弹性阻追尼器减小建筑沿的风振或地震窑效应在经济上幼是相当可观的何。挑吸能减论震嘴扛诵凶吸震减震是通躬过附加子结构货，使结构的震瓶动发生位移，揪即使结构的振俯动能量在原结啊构与子结构之脂间重新分配，阿从而达到减小舌结构震动的目架的。目前，工欣程结构应用的踢吸震减震装置找主要久有韵:钓蚀调谐质量阻尼俊器隐(缓简勇称姨TMD摧)姓，调聋液璃(肾柱中)餐阻尼通器吉(面简捧称荡TL绣D朴或名TLCD抓)照，悬吊质量摆度阻尼纽器去(鸟简余称备SMPD计)吧和质量放大器躲。屋面上的水啊箱也起到一定房的减震效果，碰相当丛于桥TM花D俭。连祥更毯眯供绩面贸祖国膝单明个雨TM洋D捕的结构形式班金属阻尼叨器鸽蜡是在框架中加顶屈曲约束支撑烂，在常规荷载疼下，起到支撑局的作用，而在狮地震作用下，豪金属支撑通过济塑性变形来消棵耗地震的能量膊，从而起到保怀护主体结构的悼作用。这在抗河震加固的工程谈中得到广泛的姿应用。士冲击减透震舒决驾六冲击减震是依厨靠附加活动质仰量与结构之间欺的非完全弹性屑碰撞达到交换泊动量和耗散动止能进而实现减鲁小结构地震反锋应的技术。实踩际应用时，一至般在结构的某溉部巧位吵(谦常在顶血部辉)特悬挂摆锤。结妇构震动时，摆怜锤撞击结构使党结构震动衰减睛。另外，摆锤昨还兼有吸振器拦的功能。爸2.5裤考建筑结构的振仿动控制技术杠蔬教传统建筑抗震沾设计，主要利盘用结构自身来亏吸收、消耗地雅震带来的能量瓣以满足设防抗爬震的标准，虽杏然能在遇到较众小地震，起到储比较好的效果著，但毫无疑问仿这是一种比较同消极被动的抵浙抗地震的方法考。科学有效的峰抗震方法是通虹过采用结构振晨动控制技术来赞达到抗震目的享，即通过对结撤构本身施加振槐动控制系统，片让其与结构本障身一同发挥抗呈震作用，以减蛾轻建筑结构的截抗震反应。建图筑结构的振动陶控制分为主动耳控制、被动控秆制、半主动控论制和混合控制撇。傻骡2.5.1方遗主动控制倾樱零结构主动控制浪是利用外部能界源，在结构受桃激励振动过程挖中，对结构施价加控制力或改艰变结构的动力售特性，从而迅屠速地减小结构址的振动反应。汪主动控制系统夫主要包括传感骂器、控制器和服作动器三个组师成部分。传感班器测量结构反糖应或外部激励袋信息。控制器记处理传感器测父量的信息，实腐现所需的控制泳律，其输出为柏作动器的指令膀。作动器产生萌控制力，所需斑的能量由外部坝能源提供，控姓制力有时通过永一个辅助子结绝构作用到受控封结构上。主动反控制的工作原元理抵为手:征樱传感器监测结捧构的动力响应雄和外部激励，芽将监测的信息鞋传人计算机内磨，计算机根据稳给定的算法计桌算出控制力的绕大小，最后由少外部能源驱动挠作动器产生所尚需的控制力而液施加于结构上梯。由于实时控须制力可以随输适人地震波改变谢，因此控制效站果基本不依赖删于地震波的特嫌性，这方面明止显优于被动控姐制伴。豆肥征戚目前有关主动域控制的研究内稀容主要分为主粥动控制算法和计主动控制装置嗽研究两部分。兽主动控制装置傻主要有主动质伶量阻尼系峡统远(AMD醉)控、主动拉索系纪统表(ATS选)昌、主动支撑霉系霸(ABS啊)锄、主动空气动锐力挡风板控制时系串统腰(ADA旦)里和气体脉冲发朝生器控制系彻统技(PC伙)魔等。主动控制刘算法是主动控浆制的基础，它羊的目标是使主坚动控制系统在生满足其状态方榜程和各种约束螺条件下，选择挎合适的增益矩踪阵，寻找最优眉的控制参数，待使系统达到较梁优的性能指标断，实现对结构毫的最优控制。停主动控制算法亮主要接有灵:效限经典二次线性李最优控制、极顽点配置控制、么独立模态空间锤控制、随机控颗制、自适应控漠制、滑移模态骑控制、模糊逻币辑控制、神经呢网络控制、遗戚传算法控制等封。替壁2.5.2突帽被动控制茶它拢被动控制是指火不需要借助外魔部力量的振动兔控制技术，它锅通过在建筑结块构的某个空间婶部位添加子系亏统，或通过对裤结构自身构件涛构造上的处理丽，来改变结构肺自身的动力特盛性。被动控制左是目前结构应纠用开发的热点塞，很多被动控从制技术也已日弯趋成熟完善，轨在实际操作中狸应用广泛。被奇动控制从其控绢制机理上来看成可分为两大类拔：基础隔震与样耗能减震。势2.5.3手刻半主动控制治河案半主动控制是沿通过利用控制锅机构来自动调昨节建筑结构在示地震中的参数嘴，板次来达到减震目还的，其对外部呼力量的需求很只低，需用强电押，只由弱导电列(粪如蓄电长池债)议就能完成。半抢主动控制通常诞采用开关进行仔控制，通过对签开关的操作来凭改变控制系统反的工作状态，前进而改变建筑娱结构的动力特旱性。目前较典东型的半主动控流制的装置有：继可变刚度系统铸、主动调节参呜数质量阻尼系猴统、可变阻尼糖系统和可控摩见擦式隔震系统诸等装置纸。姓诚2.5.4平登混合控制虽埋捷混合控制是对精主动控制与被穷动控制的联合本运用。混合控街制系统利用了口主动控制与被控动控制的综合抖优点，它既能糊通过被动控制否装置耗散大量乌地震能量，也造能有效利用主妥动控制装置来粘保证控制的效星果，因此混合垮控制有着良好挑的建筑工程应舟用价值。叙棉溪混合控制装置湾有以下几种：免主动质量阻尼等系统与调谐液盟体阻尼系统结势合形成的混合乳控制；主动控呼制装置与阻尼坑耗能装置结合凳的混合控制装个置；基础隔震盼与主动控制装第置相结合的混班合控制等吸。汉朗2.6讲烟隔震与消能减霉震的效循果女杏叠2.6.1躬绿明显有效地减都轻结构的地震染反应务从振动台地震示模拟试验结果栏及美国、日本饱建造的隔震结晨构在地震中的肥强震记录得知询，隔振体系的倡结构加速度反厦应只相当于传润统结录构太(他基础固悄定阻)择朱加速度反应松的疫1/3赔叙～迫1/1陪0蠢。这种减震效邀果是一般传统裁抗震结构所望详尘莫及的。从讨而能非常有效诊地确保结构物注或内部设备在脏强地震冲击下签免遭任何毁坏轿。探继2.6.2躬镜确保安厚全盏至听拣在地面剧烈震贯动时，上部结详构仍能处于正阴常的弹性工作当状态。这既适肥用于一般民用早建筑结构，确热保居民在强地团震中的绝对安刃全，也适用于挠某些重要结构际物和重要设姐备侦(迎如医院、实验犹室、核电妙站沿)胃。根状牺2.6.3举桥降低建筑物造去价互苏多层隔震房屋敲比传统多层隔火震房屋节省房锦屋土建造价，屯并且安全度大出大提高招。愿夜2.6.4据桌震后修复方涛便若趣撇挣地震后，只对魂隔震装置进行淡必要的检查更艺换。而无需考醒虑建筑结构物叙本身的修复，呆地震后可很快比恢复正常生活星或生产，这带坛来极明显的社胖会效益和经济炊效益索。暂3结束语醒锻隔震减震技术