隔震減震控制技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

許婷婷

廣州華發(fā)實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510600

1 建筑結(jié)構(gòu)隔震減震控制技術(shù)的發(fā)展及基本原理

1.1 隔震減震技術(shù)的發(fā)展

我國的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防準(zhǔn)則中要求，當(dāng)發(fā)生小型地震時(shí)不會(huì)對建筑結(jié)構(gòu)造成影響，當(dāng)發(fā)生中等規(guī)模地震時(shí)還能夠進(jìn)行修繕，當(dāng)發(fā)生強(qiáng)烈地震能夠保障建筑不會(huì)出現(xiàn)倒塌，以此保障人民生命安全。結(jié)合傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)來看，是通過提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的，但具體存在以下兩個(gè)問題：其一，在高烈度區(qū)，構(gòu)件尺寸較大，對空間和建筑的功能造成影響；其二，利用結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性和能力抵御地震能量，雖然避免了建筑的倒塌，但損害較為嚴(yán)重，如果修復(fù)則需要大量的經(jīng)濟(jì)支撐。在這樣的背景下，隔震減震技術(shù)被逐漸重視起來，其核心思想在于對結(jié)構(gòu)性能的改變。

隔震控制技術(shù)的核心在于化解地震能量，類似于“太極推手”。其最早起源于20世紀(jì)中，通過沙礫層實(shí)現(xiàn)滑移隔震，在此之后，各國均開展了對隔震控制技術(shù)的相關(guān)研究，并取得了大量的成果。20世紀(jì)70年代，新西蘭學(xué)者提出了鉛芯疊層橡膠支座，極大地推動(dòng)了隔震控制技術(shù)的發(fā)展。我國最初應(yīng)用隔震控制技術(shù)是1993年建造的安陽市糧油綜合樓。到20世紀(jì)末，我國開展的主要研究集中在橡膠支座隔震結(jié)構(gòu)等方面，并逐步形成了較為完善、系統(tǒng)的成套技術(shù)，為后續(xù)科研工作的開展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。減震控制技術(shù)的核心在于對地震能的消耗，使之降低到建筑能夠接受的范圍之內(nèi)。我國的減震控制技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，并在20世紀(jì)末得到了飛速發(fā)展。2001年我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）中對消能減震技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了明確的規(guī)定，2013年我國制定了《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ 297—2013），自此，我國的減震技術(shù)已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了至關(guān)重要的價(jià)值。

1.2 隔震減震技術(shù)的基本原理

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，建筑行業(yè)的發(fā)展速度越來越快，人們對建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性也提出了更高的要求，在這種形勢之下，傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足人們的需求。隨著抗震技術(shù)的研究不斷深入，以隔震減震為中心的控制技術(shù)發(fā)展起來，目前已經(jīng)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮出了至關(guān)重要的作用。隔震減震控制技術(shù)就是在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置隔震支座、阻尼器或子結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，裝置能夠阻礙地震能向結(jié)構(gòu)的傳遞，通過阻隔的效果降低對建筑結(jié)構(gòu)帶來的影響，從而減輕地震災(zāi)害對結(jié)構(gòu)造成的損害。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中隔震技術(shù)的應(yīng)用

2.1 地基采用特殊材料

在對建筑地基進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵是要將隔震層變成一個(gè)柔性的底層，當(dāng)出現(xiàn)地震時(shí)，隔震層能夠削弱地震波、降低地震能，避免對建筑結(jié)構(gòu)造成損害。傳統(tǒng)的地基抗震技術(shù)主要采用鋪設(shè)黏土、沙礫等材料，通過這些材料來實(shí)現(xiàn)隔震的目的，但結(jié)合實(shí)際情況來看，其隔震的效果相對較差。隨著相關(guān)領(lǐng)域?qū)ㄖ鼗粽鸺夹g(shù)的研究不斷深入，很多新材料不斷投入使用，目前隔震效果比較好的材料為瀝青，將其作為地基隔震層的填充材料，能夠更好地提高地基的隔震性能。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)立隔震設(shè)施

通過在建筑物基礎(chǔ)以及上部建筑之間設(shè)立隔震設(shè)施，能夠在一定能程度上阻礙地震產(chǎn)生的能量，減少對建筑結(jié)構(gòu)的影響，起到隔震的效果。根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)，該隔震方式能夠阻礙約80%的地震能量。但是該方式增加了建筑的自振周期，因此不能應(yīng)用于高層建筑。目前該隔震方式的主要裝置為橡膠墊，如圖1所示。橡膠墊隔震裝置主要由橡膠和鋼板組成，橡膠以鋼板作為支座，提高了橡膠體的豎向高度，不僅能夠承受較高的荷載，還能夠起到隔震的效果。目前橡膠隔震技術(shù)已經(jīng)比較完善，其優(yōu)勢在于阻尼比大、隔震效果好，另外還具有彈性復(fù)位功能，可靠性比較高。但由于橡膠長時(shí)間使用會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，使得隔震性能受到一定程度的影響，這也是今后的重點(diǎn)研究內(nèi)容。

圖1 橡膠墊隔震裝置

2.3 層間隔震措施

層間隔震技術(shù)就是指在建筑結(jié)構(gòu)的層間處設(shè)立隔震裝置，當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，隔震裝置能夠吸收地震能量，降低地震對建筑結(jié)構(gòu)造成的影響，從而實(shí)現(xiàn)隔震效果。層間隔震與基礎(chǔ)隔震相比，雖然設(shè)立隔震的裝置基本一致，但層間隔震的減震效果卻相對較低，約為13%。目前層間隔震技術(shù)大多應(yīng)在對舊建筑結(jié)構(gòu)的改造工作中，優(yōu)勢在于操作較為簡單。

2.4 結(jié)構(gòu)懸掛隔震

結(jié)構(gòu)懸掛隔震指將建筑結(jié)構(gòu)利用鎖鏈懸吊起來，當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時(shí)，只有極少數(shù)的地震能夠傳遞到懸掛結(jié)構(gòu)中，以此保障建筑結(jié)構(gòu)不會(huì)受到地震災(zāi)害的損害。目前結(jié)構(gòu)懸掛隔震被大量的應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)中，一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)組成部分，即主框架結(jié)構(gòu)和子框架結(jié)構(gòu)。運(yùn)用懸掛隔震技術(shù)后，將子框架用鎖鏈懸掛在主框架結(jié)構(gòu)上，在發(fā)生地震時(shí)，主框架結(jié)構(gòu)受到地震波的影響不斷晃動(dòng)，而子框架結(jié)構(gòu)幾乎不會(huì)受到影響，地震能被有效地削減，以此保障整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減震技術(shù)的應(yīng)用

減震是指在建筑結(jié)構(gòu)的剪力墻、連接縫等位置安設(shè)裝置，用以吸收、消耗地震能量，避免地震能量對建筑結(jié)構(gòu)造成損害，目前常見的減震技術(shù)主要為耗能減震和吸震減震。

3.1 耗能減震技術(shù)

在傳統(tǒng)的抗震體系中，承重構(gòu)件就是減震耗能構(gòu)件，在發(fā)生地震災(zāi)害之后，這些構(gòu)件受到了一定的損壞而且很難對其進(jìn)行修復(fù)。減震技術(shù)則恰恰相反，設(shè)置專門的耗能減震裝置，在破壞裝置的過程中實(shí)現(xiàn)了對地震能量的消耗，從而保障了建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。另外，受損的裝置更換較為方便，極大程度上提升了建筑的抗震性能。目前常見的耗能減震裝置分為以下幾種。

（1）減震阻尼器。該裝置通過增加結(jié)構(gòu)阻尼來消耗地震能量，以此避免建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。從裝置機(jī)理的角度來看，具體可以分為兩種類型：第一種為速度相關(guān)型阻尼器，變形速度與阻尼力成正比；第二種為位移相關(guān)型阻尼器，位移大小關(guān)系到消耗地震能量的能力。

（2）屈曲約束支撐。普通支撐受壓會(huì)出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)滯回性能較差。屈曲約束支撐包括外套筒和硬質(zhì)填充材料，能夠很好地約束芯材受壓屈曲，極大地提升了結(jié)構(gòu)的抗震性。

（3）防屈曲鋼板剪力墻。該裝置是一種新型產(chǎn)品，其核心為耗能鋼板，無論在小震還是大震中均能發(fā)揮出很好的作用。當(dāng)發(fā)生小型地震時(shí)，該裝置處于彈性狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，裝置處于屈服階段耗能，體現(xiàn)了良好的減震作用。

3.2 吸震減震技術(shù)

通過在原結(jié)構(gòu)上設(shè)置子結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)對地震的能量進(jìn)行重新分配，通過轉(zhuǎn)移振動(dòng)來減小對建筑結(jié)構(gòu)的影響，這就是吸震減震技術(shù)。目前該技術(shù)的主要裝置分為以下兩種：第一，調(diào)頻液體阻尼器。該裝置主要依靠水箱中的液體實(shí)現(xiàn)減震目的，當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，調(diào)頻液體阻尼器水箱中的液體受到地震能的影響出現(xiàn)晃動(dòng)并形成側(cè)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)減震的作用。第二，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。該裝置主要由彈簧、可調(diào)整質(zhì)量塊、黏滯阻尼器等構(gòu)成，首先調(diào)整裝置的自振頻率，使其與結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率保持一致，當(dāng)出現(xiàn)地震災(zāi)害時(shí)，地震能會(huì)集中在調(diào)諧質(zhì)量阻尼器上，從而降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)。例如，臺(tái)北101大樓所采用的就是這種減震技術(shù)。

4 結(jié)束語

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展速度越來越快，人們對建筑結(jié)構(gòu)的安全性提出了更高的要求，積極應(yīng)用隔震減震控制技術(shù)具有重要的意義。當(dāng)前我國在隔震減震技術(shù)方面已經(jīng)開展了大量的研究與應(yīng)用，針對不同的建筑結(jié)構(gòu)研發(fā)了多種不同的隔震減震技術(shù)，極大地提升了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但與此同時(shí)，隔震減震控制技術(shù)的不足也不可忽視，如應(yīng)用規(guī)范不健全、推廣困難等，針對這些問題，還需相關(guān)部門做好引導(dǎo)工作，進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)，使其向著規(guī)范化的方向發(fā)展。