建筑結(jié)構(gòu)的抗震與減震之比較分析

張忠良

（成都藝術(shù)職業(yè)學(xué)院，成都 611433）

建筑結(jié)構(gòu)的抗震與減震之比較分析

張忠良

（成都藝術(shù)職業(yè)學(xué)院，成都 611433）

本文分別從建筑結(jié)構(gòu)抗震原理與建筑結(jié)構(gòu)減震原理、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法與建筑結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法、抗震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)的設(shè)防目標(biāo)、建筑結(jié)構(gòu)抗震與減震的設(shè)計(jì)要點(diǎn)等方面進(jìn)行了比較分析,采取了隔震措施的建筑物要比普通的抗震建筑物更加安全。

抗震；減震；結(jié)構(gòu)

通過對地震預(yù)報、工程抗震、地震控制等方面的研究，工程抗震被認(rèn)為是一項(xiàng)切實(shí)有效的措施——預(yù)防或減輕地震災(zāi)害對建筑的損害，其方法是尋求最合理的抗震設(shè)計(jì),使在地震時能夠保證建筑結(jié)構(gòu)足夠安全，這是普通的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想。

建筑結(jié)構(gòu)隔震的思想已有人提出和實(shí)施,古代隔震方案如北京故宮，在其基礎(chǔ)底就設(shè)有糯米加石灰的柔性減震支座層;現(xiàn)代的基礎(chǔ)隔震理論和實(shí)踐方案很多。

1909年國外工程師提出（上部結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)）隔震結(jié)構(gòu)方案。這種隔震結(jié)構(gòu)在建筑物結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間用滑石〔云母）層隔開，地震時建筑物可以滑動。如圖A 所示

圖A 結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)隔震建筑

日本建筑師中村太郎于1927年提出的阻尼隔震結(jié)構(gòu)方案，這種隔震系統(tǒng)中使用阻尼泵來消耗地震的能量，并且在該建筑地下層柱的上下端采用鉸接構(gòu)造，建筑物可以水平自由移動。 如圖 B 所示

圖B 阻尼隔震建筑

1972年美國工程師提出土木工程結(jié)構(gòu)控制的概念，結(jié)構(gòu)控制的概念可以簡單表述為:通過對結(jié)構(gòu)附加控制構(gòu)件或裝置，由控制構(gòu)件或裝置與結(jié)構(gòu)共同承受振動作用，以協(xié)調(diào)和減輕結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)，使建筑結(jié)構(gòu)在振動作用下的各項(xiàng)反應(yīng)值被控制在允許范圍內(nèi)。

普通抗震結(jié)構(gòu)利用結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和變形能力抵御地震作用，吸收地震能量，側(cè)重于“抗”。隔震結(jié)構(gòu)在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置減震層，阻止地震能量向上傳遞，側(cè)重于“隔”。

一、建筑結(jié)構(gòu)抗震原理與建筑結(jié)構(gòu)減震原理的比較

普通結(jié)構(gòu)抗震的基本原理是:通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的抗震性能〔強(qiáng)度、剛度、延性〕來抵御地震作用的，即由結(jié)構(gòu)本身儲存和消耗地震能量。這是被動消極的抗震對策。 由于人們尚不能準(zhǔn)確地估計(jì)未來地震災(zāi)害作用的強(qiáng)度和特性,按照普通抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不具備自我調(diào)節(jié)的能力。因此,結(jié)構(gòu)很可能不滿足安全性研宄而產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞和倒 塌,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡；

結(jié)構(gòu)減震原理和隔震的原理是：通過設(shè)置隔震裝置系統(tǒng)形成隔震層，延長結(jié)構(gòu)的周期，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的阻尼，使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減少，同時使結(jié)構(gòu)的位移集中于隔震層，上部結(jié)構(gòu)像剛體一樣，自身相對位移很小，結(jié)構(gòu)基本上處于彈性工作狀態(tài)。

二、建筑結(jié)構(gòu)抗震與建筑結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法的比較

普通抗震設(shè)計(jì)方法：以概率理論為基礎(chǔ)，提出三水準(zhǔn)的設(shè)防要求，即“小震不壞，中震可修,大震不倒”。并通過兩個階段設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn):第一階段設(shè)計(jì)采用第一水準(zhǔn)烈度的地震動參數(shù),結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，能夠滿足承載力和彈性變形的要求;第二階段設(shè)計(jì)采用第三水準(zhǔn)烈度的地震動參數(shù)，結(jié)構(gòu)處于彈塑性狀態(tài)，要求具有足夠的彈塑性變形能力，但又不能超過變形限值，使建筑物“裂而不倒”。然而，結(jié)構(gòu)要終止在強(qiáng)震或大風(fēng)作用下的振動反應(yīng)〔速度、加速度和位移），必然要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換或耗散。普通抗震結(jié)構(gòu)體系實(shí)際上是依靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞消耗大部分輸入能量,往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重破壞甚至倒塌,這在一定程度上是不合理也是不安全的。

結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)方法：是指在房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能裝置,通過其局部變形提供附加阻尼，以消耗輸入上部結(jié)構(gòu)的 地震能量,達(dá)到預(yù)期設(shè)防要求。具體說就是把結(jié)構(gòu)的某些構(gòu)件〔如支撐、剪力墻、連接件等）設(shè)計(jì)成消能桿件,或在結(jié)構(gòu)的某些部位〔層間空間、節(jié)點(diǎn)、連接縫等）安裝消能裝置，在小風(fēng)或小震下,這些消能桿件〔或消能裝置）和結(jié)構(gòu)共同工作，結(jié)構(gòu)本身處于彈性狀態(tài)并滿足正常使用要求;在大震或大風(fēng)下，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，消能桿件或消能裝置產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振能量，使結(jié)構(gòu)的動 能或者變形能轉(zhuǎn)化成熱能等形式耗散掉,迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振反應(yīng)，使主體結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài)〔結(jié)構(gòu)仍然處于彈性狀態(tài)或者雖然進(jìn)入彈塑性狀態(tài),但不發(fā)生危及生命和喪失使用功能的破壞）。

三、抗震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)設(shè)防目標(biāo)的比較

普通抗震設(shè)防目標(biāo)：“三水準(zhǔn)”和“兩階段”的設(shè)防要求，即“小震 不壞，中震可修,大震不倒”；第一階段設(shè)計(jì)采用第一水準(zhǔn)烈度的地震動參數(shù)，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，能夠滿足承載力和彈性變形的要求；第二階段設(shè)計(jì)采用第三水準(zhǔn)烈度的地震動參數(shù)，結(jié)構(gòu)處于彈塑性狀態(tài)，要求具有足夠的彈塑性變形能力，但又不能超過變形限值，使建筑物“裂而不倒”。

減震結(jié)構(gòu)設(shè)防目標(biāo)：新規(guī)范對其抗震設(shè)防目標(biāo)只有如下的原則規(guī)定：“采用隔震或消能減震設(shè)計(jì)的建筑，當(dāng)遭遇到本地區(qū)的多遇地震影響、抗震設(shè)防烈度地震影響和罕遇地震影響時,其抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)高于本規(guī)范第1.0. 1條的規(guī)定。”這里明確了消能減震建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)高于一般依靠自身強(qiáng)度及變形能力〔延性）來抗御地震的建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)。

根據(jù)對消能減震結(jié)構(gòu)減震能力的系列研究、考慮不同工程情況可能的不同要求以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并參考建筑的普通抗震設(shè)防目標(biāo)的要求,為了促進(jìn)消能減震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步與在工程中的實(shí)施，提出減震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)可具體化為如下A、B、C三類。

A目標(biāo)?？拐鹪O(shè)防目標(biāo)與現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)相同。這個設(shè)防目標(biāo)要求“小震不壞，中震可修,大震不倒”。

B目標(biāo)。當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震影響時，可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。這個設(shè)防目標(biāo)要求“中震不壞，大震可修”。多數(shù)減震結(jié)構(gòu)可按照這個設(shè)防目標(biāo)設(shè)計(jì)。

C目標(biāo)。當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震影響時，一般不受損壞或不需修理或經(jīng)簡單修理可繼續(xù)使用。這個設(shè)防目標(biāo)要求“大震不壞”。對于消能減震要求更高的減震建筑及在較低設(shè)防烈度地震區(qū)，可采用這類設(shè)防目標(biāo)。

四、框架結(jié)構(gòu)抗震與減震的設(shè)計(jì)要點(diǎn)的比較1、框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)6要點(diǎn)

①框架結(jié)構(gòu)動力特性分析，主要是結(jié)構(gòu)自振周期的確定；②結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計(jì)算，包括多遇烈度下的地震反應(yīng)與結(jié)構(gòu)側(cè)移計(jì)算；③結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力分析；④結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面抗震設(shè)計(jì)。

2、框架結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)6要點(diǎn)

①提出框架結(jié)構(gòu)消能減震后的預(yù)期變形；②確定結(jié)構(gòu)需要消能器提供的附加阻尼；③設(shè)計(jì)消能器的類型、數(shù)量和布置；④對消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體的分析,達(dá)到滿足變形控制要求；⑤設(shè)計(jì)消能部件及其與主體結(jié)構(gòu)的連接。

六、結(jié)束語

結(jié)構(gòu)的普通抗震的設(shè)計(jì)思想主要是依靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的強(qiáng)度和延性來抵抗地震作用及吸收地震能量，這種設(shè)計(jì)方法是讓結(jié)構(gòu)自身承受較大的地震力。在抗震設(shè)防區(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循：強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)結(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)壓弱拉的基本原則，可以保證結(jié)構(gòu)的整體性，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌，但是對組成結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件來講，其吸收地震能量進(jìn)而發(fā)生構(gòu)件破壞的結(jié)果是必然的。因此,設(shè)置了隔震措施的建筑物要比普通的抗震建筑物更加安全，建筑物中的隔震技術(shù)應(yīng)將被廣泛應(yīng)用。

[1]周錫元，吳育才，工程抗震新發(fā)展[M]，清華大學(xué)出版社，暨南大學(xué)出版社，2002

[2]柳炳康，工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M]，武漢理工大學(xué)出版社，2005

[3]王社良，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]，武漢理工大學(xué)出版社，2004

[4]鄭久建，粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)分析方法及設(shè)計(jì)理論研究[D]，中國建筑科學(xué)研究院，2003

G322

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1007-6344（2016）02-0016-02

張忠良（1981.12.21~ ），男，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工法、地基基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)抗震。