探究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震設(shè)計(jì)

王樂(lè)普 韓高峰

摘要：建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)能夠有效保證建筑物的安全可靠性。當(dāng)?shù)卣饋?lái)襲時(shí)能盡可能保護(hù)人類(lèi)的生命安全，避免過(guò)大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。正確處理建筑結(jié)構(gòu)自身的剛度和韌性之間的關(guān)系，合理選取建筑結(jié)構(gòu)形式，是在精確計(jì)算模型之前，設(shè)計(jì)師需要認(rèn)真思考的問(wèn)題。隨著新型材料的出現(xiàn)，各種新型的隔震及制震技術(shù)也隨之發(fā)展。合理有效地應(yīng)用這些新技術(shù)，結(jié)合抗震技術(shù)一起應(yīng)用，能夠更好地提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；隔震

一、震災(zāi)歷史回顧

1.日本阪神大地震

1995年1月17日5時(shí)，在日本關(guān)西兵庫(kù)縣南部的淡路島發(fā)生了里氏7.3級(jí)地震。震源深度約16公里。此次地震在多處引發(fā)火災(zāi)，火勢(shì)嚴(yán)重，燒毀很多房屋。

2.中國(guó)汶川地震

2008年5月12日14時(shí)，在中國(guó)四川省汶川縣發(fā)生里氏8.0級(jí)地震。震中烈度最大11度。震中位于四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)與漩口鎮(zhèn)交界處。震源深度為10～20千米，震源較淺，因此破壞性巨大。地震后山體滑坡，阻塞河道形成許多堰塞湖。

汶川地震暴露了我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)抗震方面存在很多問(wèn)題。首先是設(shè)計(jì)地震力的大小是否合理。同樣規(guī)模的結(jié)構(gòu)，我國(guó)的設(shè)計(jì)地震力只有日本的一半，甚至更小，而汶川地震的能量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了日本阪神大地震。

3.日本東日本大地震

2011年3月11日，日本當(dāng)?shù)貢r(shí)間14時(shí)，日本東北部海域發(fā)生里氏9.0級(jí)地震。震中位于宮城縣以東太平洋海域，震源深度海下10千米。地震引發(fā)的海嘯影響到太平洋沿岸的大部分地區(qū)，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。地震造成日本福島第一核電站1～4號(hào)機(jī)組發(fā)生核泄漏事故。

二、抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛?cè)嶂疇?zhēng)

抗震設(shè)計(jì)的概念自古以來(lái)就是將剛性和柔性（即韌性）賦予建筑物。只靠剛性抵御地震的建筑物是極少的，大多數(shù)結(jié)構(gòu)是剛?cè)峒鏉?jì)以對(duì)抗地震。因此抗震設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是定量地處理建筑物的剛性和柔性之間的關(guān)系。

所謂“剛”，就是指結(jié)構(gòu)自身應(yīng)具有較大的剛度和強(qiáng)度，其自振周期較短。與之相反，所謂“柔”就是指結(jié)構(gòu)的剛度較小，其自振周期較長(zhǎng)。判斷一個(gè)建筑物抗震性能好與壞的標(biāo)準(zhǔn)，到底選用剛性結(jié)構(gòu)還是柔性結(jié)構(gòu)，在學(xué)術(shù)界一度成為很有爭(zhēng)議的課題。這個(gè)課題在20世紀(jì)30年代日本建筑界展開(kāi)過(guò)激烈的論爭(zhēng)，這就是當(dāng)時(shí)日本建筑界有名的“剛?cè)嵴摖?zhēng)”。剛派認(rèn)為不管怎樣延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，與地震發(fā)生共振是無(wú)法避免的。而柔派認(rèn)為結(jié)構(gòu)的剛度應(yīng)該減小，避免和地震發(fā)生共振現(xiàn)象，由此來(lái)減小結(jié)構(gòu)的震動(dòng)。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1.結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇

進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算之前，應(yīng)首先對(duì)結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行選擇。根據(jù)建筑物使用功能，建筑物所在場(chǎng)地條件，選取經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式。

2.結(jié)構(gòu)的平面布置及豎向布置

結(jié)構(gòu)的平面布置應(yīng)盡量均勻?qū)ΨQ(chēng)，以使結(jié)構(gòu)質(zhì)心與結(jié)構(gòu)剛心重合，以避免地震時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。豎向構(gòu)件盡量連續(xù)貫通，保證結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳遞明確。

3.結(jié)構(gòu)計(jì)算目標(biāo)及原則

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外抗震設(shè)防目標(biāo)的發(fā)展總趨勢(shì)是建筑物在使用期間，對(duì)不同頻率和強(qiáng)度的地震，應(yīng)具有不同的抵抗能力，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。根據(jù)上述三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的要求，在第一水準(zhǔn)（小震）時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)處于彈性工作階段，因此，可以采用線彈性動(dòng)力理論進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析，以滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。在第二和第三水準(zhǔn)（中震、大震）時(shí)，結(jié)構(gòu)已進(jìn)入彈塑性工作階段，主要依靠其變形和吸能能力來(lái)抵御地震。在此階段，應(yīng)控制建筑結(jié)構(gòu)的層間彈塑性變形，以避免產(chǎn)生不易修復(fù)的變形（第二水準(zhǔn)要求）或避免倒塌和危及生命的嚴(yán)重破壞（第三水準(zhǔn)要求）。因此，應(yīng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形驗(yàn)算。

四、隔震和減震技術(shù)在抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.隔震結(jié)構(gòu)

日本學(xué)者河合浩藏在1881年提出最初的隔震構(gòu)想。他認(rèn)為先在地基上縱橫交錯(cuò)放置幾層圓木，圓木上澆筑混凝土層，再在混凝土層上蓋房。由于設(shè)置了可滾動(dòng)的圓木，削弱了地震傳遞給建筑物的能量。1909年，J.A.卡蘭特倫茨在美國(guó)提出了另外一種隔震方案，即在基礎(chǔ)與上部建筑物之間鋪一層滑石或云母，地震時(shí)隔震層的滑石相互錯(cuò)動(dòng)，從而減小地震傳遞給上部建筑物的能量，以達(dá)到隔離地震的目的。

目前我們采用的隔震技術(shù)主要有兩種形式，一種是基礎(chǔ)隔震，另一種是中間層隔震。使用最廣泛的是基礎(chǔ)隔震?；A(chǔ)隔震就是在基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)之間另設(shè)一層，這一層作為隔震層，在隔震層設(shè)置一些特殊的隔震器材。隔震器材主要分為隔震支座、減震器、隔震支座和減震器的復(fù)合裝置。

（1）隔震支座

隔震支座主要有兩種，一種是疊層橡膠支座，也稱(chēng)為無(wú)鉛芯疊層橡膠支座；另外一種是滾動(dòng)活滑動(dòng)支撐。應(yīng)該注意的是，這種裝置應(yīng)該設(shè)置在軸力變化不大的柱下。

（2）減震器

減震器分為彈塑性減震器、油壓減震器、黏性減震器、摩擦型減震器等。減震器具有吸收地震能量、減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的作用。但是減震器不具有豎向支撐的能力，變形恢復(fù)能力也不強(qiáng)。所以，在隔震結(jié)構(gòu)中不能單獨(dú)使用，必須與隔震支座一起使用。一般來(lái)說(shuō)，減震器不直接設(shè)置與柱下，而是設(shè)置在上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)梁之下。

（3）隔震支座與減震器的復(fù)合裝置

為了吸收地震能量，使之不傳遞給上部結(jié)構(gòu)，除了隔震支座外，還必須在隔震層設(shè)置減震器。設(shè)置減震器需要在隔震層有一定的空間，還需要精密的安裝施工。為了解決這一問(wèn)題，可以在隔震層設(shè)置隔震支座與減震器的復(fù)合裝置。復(fù)合裝置不但可以起到支撐結(jié)構(gòu)豎直方向荷載的作用，還具有吸收地震能量、減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的作用。

2.制震結(jié)構(gòu)

在地震作用下為了減少對(duì)主體結(jié)構(gòu)的破壞，控制結(jié)構(gòu)水平位移，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置一些能吸收和消耗地震能量的裝置，這些裝置就叫“制震裝置”。制震結(jié)構(gòu)是在建筑物的內(nèi)部設(shè)置阻尼器，這些阻尼器隨著建筑物的變形和運(yùn)動(dòng)速度而發(fā)揮其衰減作用。

（1）質(zhì)量協(xié)調(diào)阻尼器

主體結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生震動(dòng)時(shí)，通過(guò)設(shè)置于高層建筑物頂部的“質(zhì)量阻尼”系統(tǒng)，與主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振來(lái)減小結(jié)構(gòu)震動(dòng)反應(yīng)。該系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的固有震動(dòng)周期完全相同。

（2）液體阻尼器

液體阻尼器是一種被動(dòng)耗能減震裝置。利用容器中液體振動(dòng)的方法提供減震作用。此種減震方式目前只對(duì)中小地震有效，對(duì)強(qiáng)震來(lái)說(shuō)其震動(dòng)超過(guò)裝置本身的容量極限，強(qiáng)震時(shí)現(xiàn)在多采用將裝置固定的方法。然而，該減震方式用于減控由風(fēng)荷載引起的長(zhǎng)時(shí)間、中振幅的振動(dòng)的話(huà)非常有效，因此被設(shè)置在許多超高層建筑上。

五、總結(jié)

地震引發(fā)的災(zāi)害，從地球誕生地震就一直頻頻發(fā)生。實(shí)際上，至今為止地震沒(méi)有一刻平息過(guò)，每年大約有五百萬(wàn)次發(fā)生。但因?yàn)橛械恼鸺?jí)比較小，有的震源遠(yuǎn)離人類(lèi)居住地，所以大約有99%的地震并不能被我們所感知。而剩余的1%大約5萬(wàn)次地震是可被我們感知的，而這5萬(wàn)次地震里有一百次左右是可以造成災(zāi)害的。這些因地震引發(fā)的災(zāi)害給人類(lèi)生活帶來(lái)了巨大的影響和破壞。

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