關(guān)于公共建筑防震減災(zāi)新技術(shù)應(yīng)用的研究

邢祿昌　張超　唐超　岳方方

【摘 要】在對(duì)公共建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注重抗震設(shè)計(jì)，運(yùn)用防震減災(zāi)新技術(shù)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，進(jìn)而減輕地震災(zāi)害影響。本文簡(jiǎn)單介紹了目前我國(guó)公共建筑中應(yīng)用的主要抗震設(shè)計(jì)新方法。

【關(guān)鍵詞】公共建筑；防震減災(zāi)新技術(shù)；隔震；耗能減震

0 引言

公共建筑要求將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為“延性結(jié)構(gòu)體系”，其傳統(tǒng)抗震方法是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的抗震性能（強(qiáng)度、剛度、延性），利用結(jié)構(gòu)自身的承載力和塑性變形能力來(lái)抵御地震作用。當(dāng)?shù)卣鹱饔贸^(guò)承載力極限時(shí)，結(jié)構(gòu)抗震能力的大小將主要取決于其塑性變形能力和在往復(fù)地震作用下的滯回耗能能力大小。通過(guò)發(fā)展延性來(lái)消耗輸入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的能量，會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大變形并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞。對(duì)于有嚴(yán)格的重要公共建筑結(jié)構(gòu)，往往難以滿足變形條件。按傳統(tǒng)抗震方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不具備自我調(diào)節(jié)的能力且人們尚不能準(zhǔn)確地估計(jì)未來(lái)地震災(zāi)害作用的強(qiáng)度和特性，為此，我國(guó)地震工程學(xué)者正在研究探索行的結(jié)構(gòu)防震設(shè)計(jì)途徑，近年來(lái)發(fā)展出一些積極的抗震設(shè)計(jì)新方法。

1 公共建筑防震減災(zāi)新技術(shù)應(yīng)用

1.1 隔震技術(shù)應(yīng)用

隔震技術(shù)是采用某種隔震消能裝置，將地震動(dòng)與結(jié)構(gòu)隔開(kāi)，以減弱或改變地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用，使建筑物在地震作用下只產(chǎn)生很小的振動(dòng)，以減小地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞影響。

1.1.1 隔震原理

隔震層中設(shè)置隔震阻尼消能裝置旨在接觸結(jié)構(gòu)與地面運(yùn)動(dòng)的耦聯(lián)關(guān)系，通過(guò)增加結(jié)構(gòu)的柔性與提供附加阻尼來(lái)減小輸入到結(jié)構(gòu)中的地震作用。由于隔震層中阻尼器的消能作用具有更高的效率。國(guó)內(nèi)的大量試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)表明：隔震一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應(yīng)降低60%左右，從而消除或有效地減輕結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的地震損壞，提高建筑物及其內(nèi)部設(shè)施和人員的地震安全性，增加震后建筑物繼續(xù)使用的功能。

1.1.2 隔震技術(shù)方法

目前在基礎(chǔ)隔震中采用的技術(shù)方法有橡膠墊隔震、摩擦滑移隔震、滾珠及滾軸隔震、組合隔震技術(shù)，其中研究最成熟且在公共建筑中應(yīng)用最廣泛的是橡膠墊隔震技術(shù)。

1）橡膠墊隔震。疊層橡膠墊隔震體系的隔震層由若干個(gè)隔震器組成，隔震器包括疊層橡膠墊和阻尼器，常采用普通疊層橡膠墊、鉛芯橡膠墊和高阻尼橡膠墊。橡膠墊隔震支座由薄橡膠片與薄鋼板分層交替疊合，經(jīng)高溫硫化粘結(jié)而成，通過(guò)上下連接板與結(jié)構(gòu)相連，薄鋼板可限制橡膠片的橫向變形，但對(duì)橡膠片的剪切變形影響很小。疊層橡膠墊支座的豎向剛度很大，并具有較大的豎向承載能力，安全地支承上部結(jié)構(gòu)的所有重量及使用荷載，同時(shí)具有可變的水平剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上部結(jié)構(gòu)的層間水平剛度，地震作用下結(jié)構(gòu)的水平變形集中于隔震層，上部結(jié)構(gòu)在地震中變?yōu)椤罢w平動(dòng)型”，結(jié)構(gòu)的層間變形很小，即便在罕遇地震作用下也基本處于彈性狀態(tài)。

2）摩擦滑移隔震。摩擦滑移隔震技術(shù)把建筑物上部結(jié)構(gòu)做成一個(gè)整體，在上部結(jié)構(gòu)和建筑物基礎(chǔ)之間設(shè)置一個(gè)隔離滑移構(gòu)造層，滑移構(gòu)造層可用精選的圓形粉粒（如鉛粒、砂粒、滑石、石墨）以及不銹鋼板和聚四氟乙烯等材料，在小震或風(fēng)載作用時(shí)，靜摩擦力使結(jié)構(gòu)固接于基礎(chǔ)上；大震時(shí)剪力超過(guò)靜摩擦力使建筑物相對(duì)與基礎(chǔ)（地面）整體水平滑動(dòng)，由于其摩擦阻尼耗散地震能量，削弱了地震作用向上部位結(jié)構(gòu)的傳遞，達(dá)到隔震的效果，該技術(shù)還具有簡(jiǎn)單易行、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是不能自動(dòng)復(fù)位，可以裝設(shè)輔助裝置協(xié)助限位。為了使建筑物滑移后自動(dòng)復(fù)位，目前出現(xiàn)了一種摩擦擺支座。摩擦擺支座類似于一個(gè)鉸裝置，上部為活動(dòng)擺頭，下部為與擺頭相吻合的曲面承臺(tái)，擺頭與曲面之間襯有網(wǎng)狀增強(qiáng)纖維（聚四氯乙烯），以利用摩擦阻尼耗散能量，該裝置可利用結(jié)構(gòu)本身重力復(fù)位。目前具有風(fēng)穩(wěn)定及復(fù)位功能的支座還有回彈滑動(dòng)支座及螺旋彈簧支座。

3）滾珠及滾軸隔震。在上部結(jié)構(gòu)與平板狀基礎(chǔ)之間設(shè)置滾珠。滾珠可做成圓形或利用直動(dòng)軸承，設(shè)置于平板或凹版上；也可做成橢圓形，以形成復(fù)位力。滾動(dòng)支座通過(guò)滾珠或滾軸的滾動(dòng)達(dá)到隔震效果。設(shè)計(jì)合理的滾動(dòng)支座具有良好的穩(wěn)定性、限位復(fù)位功能和顯著的隔震效果，但滾珠隔震需要有輔助裝置協(xié)助復(fù)位，保證風(fēng)載下不產(chǎn)生過(guò)大水平位移，如：滾球加彈簧復(fù)位隔震裝置或滾球帶凹槽板復(fù)位隔震裝置。

1.2 消能減震和阻尼減震技術(shù)應(yīng)用

消震和阻尼減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)的某些非承重構(gòu)件裝設(shè)消能構(gòu)件或阻尼器，當(dāng)輕微地震或陣風(fēng)脈動(dòng)時(shí)，消能桿件或阻尼器處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)物具有一定的側(cè)向剛度，以滿足正常使用要求，在強(qiáng)烈地震作用下，隨結(jié)構(gòu)受力和變形增大，消能構(gòu)件或阻尼器進(jìn)入非彈性變形狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，避免主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入明顯塑性狀態(tài)，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中不發(fā)生破壞，不產(chǎn)生過(guò)大變形。

1.2.1 耗能減震原理

在公共建筑結(jié)構(gòu)的某些部位（如支撐、剪力墻、節(jié)點(diǎn)、連接縫或連接件、樓層空間、相鄰建筑間、主附結(jié)構(gòu)間等）設(shè)置耗能（阻尼）裝置（或元件），通過(guò)耗能（阻尼）裝置產(chǎn)生摩擦，以及彎曲（或剪切、扭轉(zhuǎn)）彈塑（或黏彈）性滯回變形耗能來(lái)耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，以減小主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞或倒塌，達(dá)到減震控震的目的。

1.2.2 消能器與消能部件的應(yīng)用

1）消能器。消能器根據(jù)耗能機(jī)制的不同可分為摩擦消能器、金屬屈服消能器、鉛阻尼器、黏彈性阻尼器和黏滯阻尼器等。①摩擦消能器是根據(jù)摩擦做功而耗散能量的原理設(shè)計(jì)的。目前已有多種不同構(gòu)造的摩擦耗能器，如Pall型摩擦消能器、摩擦筒制震器、限位摩擦消能器、摩擦滑動(dòng)螺栓節(jié)點(diǎn)及摩擦剪切鉸消能器等，它們都具有很好的滯回特性，滯回環(huán)呈矩形，耗能能力強(qiáng)，工作性能穩(wěn)定等。摩擦消能器一般安裝在支撐上形成摩擦耗能支撐。②金屬屈服消能器利用軟鋼類鋼材具有彈塑性滯回性能穩(wěn)定、耗能能力大、長(zhǎng)期可靠并不受環(huán)境與溫度影響的特點(diǎn)，人們研究開(kāi)發(fā)了多種耗能裝置，如加勁阻尼（ADAS）裝置、錐形鋼耗能器、圓環(huán)（或方框）鋼耗能器、雙環(huán)鋼環(huán)耗能器、加勁圓環(huán)耗能器、低屈服點(diǎn)鋼耗能器、無(wú)粘結(jié)支撐等。③鉛阻尼器利用鉛擠壓產(chǎn)生塑性變形耗散能量的原理制成的鉛擠壓耗能器具有“庫(kù)倫摩擦”的特點(diǎn)，其滯回曲線基本呈矩形。④黏彈性阻尼器由約束鋼板與中間鋼板之間夾有的一層黏彈性材料產(chǎn)生往復(fù)剪切滯回變形，以吸收和耗能能量。其材料的性能穩(wěn)定，可經(jīng)多次反復(fù)加載和卸載，但對(duì)于大應(yīng)變下的重復(fù)循環(huán)，剛度會(huì)產(chǎn)生一定程度的退化。⑤黏滯阻尼器一般由缸體、活塞和黏滯流體組成，活塞上開(kāi)有小孔，并可以在充有硅油或其他黏性流體的缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞與筒體間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體從活塞的小孔內(nèi)通過(guò)，對(duì)兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼，從而耗散能量。

2）消能部件。消能部件由結(jié)構(gòu)中的支撐、墻體、梁或節(jié)點(diǎn)等構(gòu)件組成。①消能支撐有幾種形式：一種是在支撐桿或節(jié)點(diǎn)板上利用摩擦阻尼器或其他彈塑性阻尼器消耗地震能量；另一種是利用偏心支撐結(jié)構(gòu)與梁段的塑性變形來(lái)消耗地震能量；還有一種是利用剛接在梁、柱或基礎(chǔ)上的消能隅撐的塑性變形來(lái)消耗地震能量。②消能墻即將阻尼器或消能材料用于墻體。填黏性材料消能墻是在墻與框架連接的周邊，填充黏性材料，強(qiáng)烈地震時(shí)，強(qiáng)周邊出現(xiàn)非彈性縫并錯(cuò)動(dòng)，消耗地震能量。

1.3 被動(dòng)控制調(diào)諧減震技術(shù)應(yīng)用

被動(dòng)控制調(diào)諧減震技術(shù)一般由主結(jié)構(gòu)和附加在主結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)組成，附加的子結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量、剛度和阻尼，可以調(diào)整子結(jié)構(gòu)的自振頻率，使其盡量接近主結(jié)構(gòu)的基本頻率或激振頻率，子結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與主結(jié)構(gòu)震動(dòng)方向相反的慣性力作用在主結(jié)構(gòu)上，使主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)衰減并受到控制。這種減震控制不需通過(guò)外部能量，只是通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的頻率特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。子結(jié)構(gòu)可以是固體質(zhì)量，它在調(diào)諧減震過(guò)程中，發(fā)揮類似阻尼器的作用；也可以是儲(chǔ)存在某種容器中的液體質(zhì)量，它的調(diào)諧減震作用是通過(guò)容器中的液體振蕩產(chǎn)生的動(dòng)壓力和黏性阻尼能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.4 主動(dòng)控制技術(shù)

主動(dòng)控制技術(shù)需要利用外部資源，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制部位安裝傳感器對(duì)輸入地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)連機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤，并根據(jù)控制器（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）分析計(jì)算結(jié)果并發(fā)出信息指令，通過(guò)伺服加載裝置（作動(dòng)器或執(zhí)行器）對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)過(guò)程中瞬時(shí)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征并施加控制力以衰減結(jié)構(gòu)反應(yīng)，達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)免遭損傷的目的。

2 結(jié)語(yǔ)

公共建筑中應(yīng)用的以隔震、減震、制震技術(shù)為特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)新方法，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制裝置（系統(tǒng)），由控制裝置與結(jié)構(gòu)共同承受地震作用，即共同儲(chǔ)存和耗散地震能量，以減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。應(yīng)用這些積極應(yīng)對(duì)地震的抗震技術(shù)，改變了傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的消極應(yīng)對(duì)性，大幅提高了公共建筑抵抗地震的能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王曉虹，駢龍江.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2014.

[2]裴星洙.建筑結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2013.

[3]黃世敏，楊枕.建筑震害與設(shè)計(jì)對(duì)策[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

[4]柳炳康，沈曉璞.工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2012.

[5]譚平，周福霖.隔震技術(shù)的研究與工程應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2010，37（10）.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]