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淺述建筑結(jié)構(gòu)隔震與消能減震設(shè)計 崔XX XX理工大學(xué)XX學(xué)院XX學(xué)員大隊 江蘇XX 02XXXX 內(nèi)容摘要 摘要：本文對建筑結(jié)構(gòu)“隔震”與“消能減震”設(shè)計的基本原理及其特點進行簡要的介紹和說明，并對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、隔震設(shè)計和消能減震設(shè)計進行分析和對比，供初學(xué)者參考。 主題詞：抗震設(shè)計 隔震設(shè)計 消能減震設(shè)計 1 引言 地震是一種突發(fā)性的破壞性極強的自然災(zāi)害，罕遇的大地震會給建筑物及構(gòu)筑物造成極大的破壞，造成極大的人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失?；仡?1世紀發(fā)生的幾次大地震如尼泊爾大地震，汶川大地震，智利地震等無一不對人們和社會造成不可估量的破壞和損失。當前的科技水平尚無法預(yù)測地震的到來，未來相當長的一段時間內(nèi)，地震也是無法預(yù)測的。而且即使做到了震前預(yù)報，如果工程設(shè)施的抗震性能薄弱，也難以避免經(jīng)濟損失。地震時不可控的，但工程結(jié)構(gòu)是可控的，因此，實施有效的抗震設(shè)防是當前防震抗災(zāi)的關(guān)鍵性工作，而隔震和消能減震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)得到廣泛應(yīng)用。 傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是依靠增加結(jié)構(gòu)的強度、剛度和延性來增加結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的承載力和變形能力來抵御地震作用，，來實現(xiàn)“大震不倒，中震可修，小震不壞”的防御目標，立足于“抗”，是一種消極的設(shè)計方法。隨著科技水平的發(fā)展和傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)在地震中的表現(xiàn)，傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計暴露出很多問題，不能滿足現(xiàn)代建筑在抗震設(shè)防方面的需求。所以抗震減災(zāi)事業(yè)的發(fā)展，不能局限于傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，更應(yīng)該搭上科技創(chuàng)新的這輛快車，用新技術(shù)來提高和改善建筑物的抗震性能。在建筑物中設(shè)置隔震層和消能減震裝置來減輕地震的破壞這種新型結(jié)構(gòu)體系就是其中之一。本文就這一新結(jié)構(gòu)體系做一簡要闡述。 2 “隔震設(shè)計”與“消能減震設(shè)計”的基本設(shè)計原理 2.1 隔震設(shè)計 “隔震”即隔離地震，分為基礎(chǔ)隔震和層間隔震。在建筑物適當部位設(shè)置隔離裝置，切斷或削弱地面運動向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，并提供適當?shù)淖枘幔瑥亩股喜拷Y(jié)構(gòu)的地震作用大大降低，耗能能力加強，達到預(yù)期的防震要求。如疊層橡膠墊支座、高阻尼橡膠墊支座、滑移隔震支座和混合隔震裝置等。 2.2 消能減震設(shè)計 消能減震技術(shù)是把結(jié)構(gòu)物某些部位（如支撐、剪力墻、連接縫或連接件）設(shè)置耗能 阻尼器，通過該裝置產(chǎn)生摩擦，彎曲（或剪切、扭轉(zhuǎn)）彈塑性（或粘彈性）直回變形來耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)的能量，以減小主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞或倒塌，達到減震控制的目的。 在消能減震結(jié)構(gòu)體系中，消能（阻尼）裝置在主體結(jié)構(gòu)進入非彈性狀態(tài)前率先進入耗能工作狀態(tài)，充分發(fā)揮耗能作用，消耗掉輸入機構(gòu)體系的大量地震能量，式結(jié)構(gòu)本身需消耗的能量很少，這意味著結(jié)構(gòu)反應(yīng)將大大減小，從而有效地保護了主體結(jié)構(gòu)，使其不受到損傷或破壞。 3 “隔震設(shè)計”、“消能減震設(shè)計”與傳統(tǒng)抗震設(shè)計的區(qū)別 3.1 “隔震設(shè)計”、“消能減震設(shè)計”與傳統(tǒng)抗震設(shè)計的比較 對于一般的抗震結(jié)構(gòu)，為保證在遭受不可預(yù)見的強烈地震時，結(jié)構(gòu)不致產(chǎn)生嚴重的破壞和倒塌，其抗震設(shè)計原則是允許結(jié)構(gòu)中的部分次要構(gòu)件產(chǎn)生一定的塑性損傷變形，利用結(jié)構(gòu)的延性和塑性變形來耗散地震輸入能量，防止結(jié)構(gòu)倒塌。這種設(shè)計方法根據(jù)結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件的重要程度，人為在結(jié)構(gòu)中設(shè)置薄弱環(huán)節(jié)，控制結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的損傷破壞機制，使結(jié)構(gòu)的破壞模式按照設(shè)計人員的意愿出現(xiàn)，從而盡可能避免強震下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)預(yù)想之外的破壞。這種抗震理念和設(shè)計方法完全依靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的強度和塑性變形能力來抵抗地震作用，是所謂的“硬抗”地震的方法。傳統(tǒng)抗震設(shè)計存在以下幾個方面的問題： （1) 結(jié)構(gòu)的安全性難以保證 傳統(tǒng)抗震方法以既定的“設(shè)防烈度”作為設(shè)計依據(jù)，由于地震的隨機性，建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度及倒塌的可能性難以控制，當發(fā)生突發(fā)性超烈度地震時，房屋可能嚴重破壞。 （2）建筑費用成本大大增加 傳統(tǒng)方法是在設(shè)計時提高材料的強度，增加構(gòu)件（結(jié)構(gòu)）剛度，其結(jié)果是斷面越大，剛度越大，使用面積減少，建筑物自重增大，地震作用隨之增大。 （3） 適用范圍受到限制 傳統(tǒng)抗震方法采用的是延性結(jié)構(gòu)體系，允許結(jié)構(gòu)部件在強震時發(fā)生較大的塑性變形，以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，這種方法對于某些不容許在地震中出現(xiàn)破壞的結(jié)構(gòu)、或內(nèi)部有貴重裝飾、重要設(shè)備儀器的結(jié)構(gòu)是不適用的。 （4） 施工難度大 結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點的鋼筋配置過密，9度區(qū)甚至無法排布。 （5） 建筑的高度受到限制等。 房屋結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計是在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有隔震器和阻尼器等組成的隔離層，隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳播減少輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，減輕上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。 地震時，隔震結(jié)構(gòu)的震動和變形均可只控制在較輕微的水平，從而使建筑物的安全得到更可靠的保證。隔震器的作用是支承建筑物重量、調(diào)頻濾波，阻尼器的作用是消耗地震能量、控制個陣曾變形。 隔震體系能夠減小結(jié)構(gòu)的水平地震作用，已被理論和國外強震記錄證實。國內(nèi)外的大量實驗和工程經(jīng)驗表明：“隔震”一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震作用降低60%左右，從而有效減輕或消除結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的地震破壞，提高建筑物及其內(nèi)部設(shè)施、人員在地震中的安全性，增加震后建筑物繼續(xù)使用的能力。 下表列出了隔震設(shè)計和傳統(tǒng)抗震設(shè)計在設(shè)計理念上的區(qū)別。 圖表1：抗震房屋和隔震房屋設(shè)計理念對比 抗震房屋 隔震房屋 結(jié)構(gòu)體系 上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)牢牢連接 削弱上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的有關(guān)連接 科學(xué)思想 提高結(jié)構(gòu)自身的抗震能力 隔離地面能量向建筑物輸入 方法措施 強化結(jié)構(gòu)剛度和延性 濾波 圖表1 對于消能減震結(jié)構(gòu)，采用的是減震控制的設(shè)計思想，即：通過附加消能減震裝置與原系統(tǒng)組成一個新的系統(tǒng)，原結(jié)構(gòu)和附加的消能減震裝置均為這一新結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的子結(jié)構(gòu)。這一新結(jié)構(gòu)的動力特性和消能能力與原結(jié)構(gòu)相比有較大變化，附加的消能減震裝置使原結(jié)構(gòu)承受的地震作用顯著減小，從而達到控制結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的，減輕結(jié)構(gòu)的損傷程度。 減震技術(shù)主要包括消能減震、隔震減震、質(zhì)量調(diào)諧減震和主動控制減震。下表給出各種控制技術(shù)的比較。 表2：各種減震技術(shù)的比較 控制技術(shù) 應(yīng)用范圍 特點及存在的主要問題 隔震 一至三十層，或高寬比不大于4 的建筑物，要求確保地震中絕對安全的結(jié)構(gòu)物、橋梁、設(shè)備、儀器等 安全可靠，減震效果明顯，技術(shù)較為成熟，產(chǎn)品耐久性、穩(wěn)定性較好，設(shè)計計算方法成熟 消能減震 水平剛度較小的多高層建筑、塔架、大跨度橋梁、管線等 安全可靠，減震效果明顯，技術(shù)較為成熟，設(shè)計計算方法成熟 質(zhì)量調(diào)諧 主振型較為明顯的穩(wěn)定的多高層、超高層建筑、塔架、大跨度橋梁等 技術(shù)基本成熟，設(shè)計計算需要進一步研究 主動控制 對抗風(fēng)要求較高的建筑 技術(shù)尚待完善，運行費用較高 混合控制及半主動控制 多種不同類型、不同要求的建筑物 組合合理可以達到較好的效果 圖表2 與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，消能減震結(jié)構(gòu)具有以下特點和優(yōu)勢： （1） 消能減震結(jié)構(gòu)更為安全。從消能角度來看，傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的消能構(gòu)件就是主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身，如框架結(jié)構(gòu)中的框架梁等。由于地震的隨機性和結(jié)構(gòu)在設(shè)計、計算和施工方面出現(xiàn)的誤差，結(jié)構(gòu)在地震中的破壞位置和破壞程度通常難以精確控制。特別是在罕遇地震下，難以保證承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全。消能減震結(jié)構(gòu)中專門設(shè)置的非承重消能構(gòu)件或者效能裝置能大量消耗地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而有效保護主體結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件。 （2） 消能減震結(jié)構(gòu)在某些情況下可能更經(jīng)濟且性能更優(yōu)越。按照傳統(tǒng)抗震措施，只能通過加大構(gòu)件截面來提高結(jié)構(gòu)抗震承載能力，然而增加構(gòu)件截面導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度增加，和結(jié)構(gòu)所承受的荷載力也隨之增加，有可能需要進一步加大截面，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)造價過高。消能減震結(jié)構(gòu)中承重構(gòu)件和消能構(gòu)件的分工明確，通過消能構(gòu)件減小結(jié)構(gòu)的地震作用，從而減小主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和配筋，同時還可以提高結(jié)構(gòu)的抗震安全度。采用消能減震結(jié)構(gòu)體系，對于新建建筑在某些情況下可以節(jié)省5%---10%的造價；對于既有建筑結(jié)構(gòu)采用消能減震技術(shù)進行抗震加固，可減少現(xiàn)場濕作業(yè)量和對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，通常情況下可以節(jié)省10%---15%的造價。 （3） 消能減震結(jié)構(gòu)由于增設(shè)了消能器，很大程度上降低了主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，因而容易實現(xiàn)比普通抗震結(jié)構(gòu)更高的抗震性能。 4 結(jié)論 回望歷史，每次突發(fā)大地震帶來的破壞都是觸目驚心的，抗震減災(zāi)事業(yè)不能止步，有更遠的路要走。隔震與消能減震是減輕建筑結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害的新技術(shù)，與傳統(tǒng)的抗震技術(shù)比較，更具有安全有效、適用、機理明確、效果顯著、安全可靠等諸多優(yōu)點，為減輕建筑在地震中所受的破壞提供了一條行之有效的新途徑。 參考文獻 [1]潘鵬.建筑結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計與案例[M]北京：清華大學(xué)出版社，2014. 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