建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔震和消能減震策略

周陳凱

（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇南京 210000）

我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，在其帶動(dòng)之下，人們生活的現(xiàn)代化水平也持續(xù)增長，人們平時(shí)的工作、學(xué)習(xí)及日常生活都和建筑物之間保持著緊密的關(guān)聯(lián)。建筑為越來越多的人提供服務(wù)，并帶來生活的便利，而現(xiàn)代社會(huì)對房屋建筑質(zhì)量的要求也越來越高，必須要確保建筑物的質(zhì)量與安全性。

1 建筑進(jìn)行隔震和減震設(shè)計(jì)的必要性

建筑物的安全受到很多因素的影響，其中包括質(zhì)量因素和不可抗力因素。質(zhì)量因素主要是指建筑物的整體設(shè)計(jì)情況、施工過程中對質(zhì)量的把控情況及后期養(yǎng)護(hù)的情況。不可抗力因素主要是指一些自然災(zāi)害，如地震、大風(fēng)等。發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，建筑物的穩(wěn)定性決定了人們的生命安全是否能得到保障，穩(wěn)定的建筑物可以保證自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)的自身穩(wěn)定性，在一定程度上為保護(hù)生命安全提供保障。對建筑物進(jìn)行隔震和減震的設(shè)計(jì)就是為了增強(qiáng)建筑物的穩(wěn)定性，通過技術(shù)手段及建筑工藝等措施，讓建筑物的穩(wěn)定性得到提高與增強(qiáng)，從而對不可抗力因素進(jìn)行有效防御［1-2］。

2 建筑隔震和消能減震設(shè)計(jì)所適用的范圍

地震是一種經(jīng)常發(fā)生的自然災(zāi)害，它對人們的生命安全有著嚴(yán)重的危害，對于生產(chǎn)和生活也造成了很大的不良影響，所有的建筑項(xiàng)目都需要考慮應(yīng)對地震的設(shè)計(jì)。

國家和社會(huì)對生產(chǎn)和生活安全都非常重視，對于建筑物的抗震能力要求越來越高，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，在隔減震措施方面取得了很大的技術(shù)突破，越來越多的建筑通過采用隔減震的方法來保證建筑物的穩(wěn)定性。將隔震減震的技術(shù)應(yīng)用到所有的建筑物設(shè)計(jì)中，是我國對建筑行業(yè)安全性保障的必然要求。

3 隔震和消能減震設(shè)計(jì)目前存在的一些問題

建筑結(jié)構(gòu)是支撐整個(gè)建筑物的框架基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一旦出現(xiàn)問題，就會(huì)對整個(gè)建筑的安全性、合理性產(chǎn)生巨大的影響，所以，必須要確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效開展。隔震和消能減震作為一項(xiàng)新的技術(shù)，在不斷地進(jìn)步和發(fā)展，通過大量的實(shí)踐檢驗(yàn)及理論知識(shí)的支撐得到逐步的完善。隔震和消能減震技術(shù)的實(shí)用性及安全性還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究，對于存在不足的地方還需要進(jìn)行不斷的改善。在隔震與消能減震技術(shù)的廣泛使用過程中還存在一定的局限性。

參與設(shè)計(jì)和施工的人員已經(jīng)對隔震和消能減震技術(shù)有了一定的了解，并且清楚這兩項(xiàng)技術(shù)可以帶來的好處。但對這兩項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際掌握程度還不夠，對于技術(shù)的使用情況及使用效果還不能做到有效的保證，實(shí)現(xiàn)隔震和消能減震技術(shù)的有效使用還需要一定的時(shí)間。

隔震和消能減震技術(shù)的使用會(huì)帶來建筑工程的建設(shè)成本的增加，且每一種隔減震的技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工的相關(guān)工作人員應(yīng)根據(jù)建設(shè)位置的實(shí)際地質(zhì)情況及建筑本身的隔減震需求來進(jìn)行防震技術(shù)的選擇，通過綜合分析各方面的因素，來制定出最適合該建筑的隔減震設(shè)計(jì)方案［3-4］。

4 隔震和消能減震在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的敘述

隔震和消能減震是增強(qiáng)建筑物抗震能力的重要方式，通過隔震和消能減震設(shè)計(jì)，在發(fā)生地震時(shí)，能夠確保建筑物有效地降低危險(xiǎn)。

隔減震技術(shù)主要是對地震波進(jìn)行緩沖和消除，避免地震波能量過多地波及建筑物。隔震設(shè)計(jì)所使用到的技術(shù)方法是鋪設(shè)隔震層，通過隔震層，將建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離，在發(fā)生地震時(shí)，隔震層可以緩沖地震波帶來的沖擊力。隔震層的設(shè)置將地震發(fā)生時(shí)建筑物所發(fā)生的晃動(dòng)能量轉(zhuǎn)變成建筑物相對于地面的橫向移動(dòng)。通過隔震層對地震波進(jìn)行隔離和吸收，可以減少地震帶來的地震波對建筑物的破壞，減輕建筑物的搖擺程度，從而達(dá)到避震的效果。消能減震的原理則是借助阻尼器將地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)進(jìn)行震動(dòng)時(shí)間的延長，從而減緩震動(dòng)幅度，并最終通過增加阻尼比來實(shí)現(xiàn)建筑物抗震能力的增強(qiáng)。

5 在提高建筑物結(jié)構(gòu)的性能時(shí)所采用的主要方法

隔減震目標(biāo)是借助一些輔助的結(jié)構(gòu)材料或構(gòu)件來完成的，通過增強(qiáng)建筑對外力的抵抗能力，把發(fā)生地震時(shí)帶來的震動(dòng)和沖擊波進(jìn)行削弱，從而增強(qiáng)建筑物抗震的能力，減少地震災(zāi)害給建筑物造成的損壞。通常情況下，消耗地震能量的材料、構(gòu)件及排布安放情況需要通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)來確定，一般將這些結(jié)構(gòu)部件放置在建筑物變形風(fēng)險(xiǎn)比較高的地方，通過這些部件，可以提高建筑物的穩(wěn)定性，極大程度地減弱地震帶來的震動(dòng)和沖擊波。把隔減震部件放在建筑物的兩個(gè)主軸方向，可以大大提高這兩個(gè)方向的強(qiáng)度，提升抵抗地震的能力。

隔減震措施不僅可以在新建設(shè)的建筑中加以運(yùn)用，對建筑物的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行有針對性的處理，起到減震的效果，還能夠應(yīng)用于已經(jīng)建設(shè)完成的結(jié)構(gòu)中，起到提高建筑物剛度的作用，實(shí)現(xiàn)對原有結(jié)構(gòu)的加固處理，以此來增強(qiáng)對地震的抵抗能力。在對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能提升的設(shè)計(jì)時(shí)，需要在建設(shè)項(xiàng)目開始施工之前進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，進(jìn)行隔減震方案的設(shè)計(jì)，制定符合該建設(shè)項(xiàng)目的隔減震措施，保證項(xiàng)目在滿足隔減震需求的施工方式下進(jìn)行施工。

想要盡量地減少地震災(zāi)害對于建筑物整體的影響，可以在進(jìn)行建筑物的建設(shè)時(shí)提前在主要承重部位進(jìn)行隔減震裝置的設(shè)置，也可以在建筑項(xiàng)目完成以后再對建筑整體進(jìn)行加固。借助特殊部件和設(shè)備對地震所產(chǎn)生的能量進(jìn)行消耗，減少地震波對于建筑物結(jié)構(gòu)的損壞，以此來保證建筑物主體的穩(wěn)定性和安全性。建筑物整體結(jié)構(gòu)的抗震能力與消能減震裝置的抗震能力呈正相關(guān)，當(dāng)消能減震裝置抵抗地震力的能力增強(qiáng)時(shí)，對于建筑物本身主體結(jié)構(gòu)，可以適當(dāng)?shù)亟档涂拐饦?biāo)準(zhǔn)，降低的程度要按照地震造成的危害系數(shù)及消能減震裝置的減震系數(shù)來進(jìn)行計(jì)算［5］。

6 應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)中的一些具體的減震方法

6.1 懸掛隔震法

懸掛隔震的方法就是將主體結(jié)構(gòu)采取懸掛的方式來進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，這樣在地震引起地面震動(dòng)時(shí)，沖擊波帶來的沖擊力可以避免傳導(dǎo)到主體上，減少了主體質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力，借助這個(gè)方法來提高減震的效果。懸掛隔震的方法主要使用在大型的鋼結(jié)構(gòu)里面，鋼結(jié)構(gòu)本身就具有懸掛的體系，使用在鋼結(jié)構(gòu)上，可以有效地提高減震的效果。大型的鋼結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：主體框架結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)，可以通過吊桿進(jìn)行子結(jié)構(gòu)的懸掛，通過懸掛來承擔(dān)子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。這個(gè)懸掛體系可以大大地分散主框架和子結(jié)構(gòu)之間的距離，阻滯地震發(fā)生時(shí)的力量傳遞，對整個(gè)結(jié)構(gòu)在地震狀態(tài)下的響應(yīng)做出控制［6-7］。

6.2 對于建筑物的地基部分使用特殊的材料

對建筑物的基礎(chǔ)隔震處理，指的是將建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對性的抗震性能加強(qiáng)處理，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，有效地對地震波進(jìn)行消耗和阻擋，盡量減少地震對建筑物帶來的危害。比較常用的方法是對建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行隔震處理，在基礎(chǔ)建設(shè)之前，鋪設(shè)沙子和黏土形成墊層，或者將沙子和黏土進(jìn)行交替鋪設(shè)。還有一些特殊的施工方式會(huì)借助糯米對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行墊層設(shè)置，通過墊層設(shè)置來達(dá)到減輕地震危害的目的。最新的研究顯示，以瀝青為基礎(chǔ)原料進(jìn)行相關(guān)材料的混合和加工，得到的新型材料可以使得隔震的效果更加明顯。

6.3 建筑結(jié)構(gòu)的層間隔震方法

層間隔震結(jié)構(gòu)的原理是把建筑結(jié)構(gòu)本身的抗震能力與隔震構(gòu)件進(jìn)行結(jié)合。在既有的建筑結(jié)構(gòu)中安裝耗能減震的裝置，這種裝置通過隔震支座與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，并進(jìn)行層間隔震處理，該方法主要使用在對于舊房的改造施工項(xiàng)目中，操作起來也比較簡單。相比于在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部位安放隔震裝置的方式，層間隔震所發(fā)揮的隔震作用較小，作用效果不是很明顯。層間隔震的作用效果雖然沒有基礎(chǔ)隔震的隔震效果好，但是可以依靠原本建筑物的隔熱層和結(jié)構(gòu)上面的夾層對其進(jìn)行科學(xué)的改造，以此來增強(qiáng)隔減震的效果。從實(shí)用性和便捷性方面來看，層間隔震方法很有發(fā)展?jié)摿Γ?-9］。

6.4 對基礎(chǔ)進(jìn)行隔震處理

地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在建筑物的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是非常重要的兩項(xiàng)內(nèi)容，進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)時(shí)，自然少不了對地基和基礎(chǔ)的隔震處理。在進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)之前，需要從建筑物的實(shí)際特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合所使用的材料的特點(diǎn)，對隔震設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行綜合考慮，得出最恰當(dāng)?shù)母粽鹪O(shè)計(jì)方案。地基是建筑物直接與土層接觸的部分，也是發(fā)生地震時(shí)傳導(dǎo)地震波的主要結(jié)構(gòu)，做好地基和基礎(chǔ)的隔震設(shè)計(jì)，可以有效避免地震發(fā)生時(shí)對整體建筑物的傷害。

進(jìn)行基礎(chǔ)隔震的原理就是將隔震的裝置放置在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中間，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，可以有效地阻擋地震力向上傳遞，避免傳遞到上部的結(jié)構(gòu)中，通過這種方式，可以減輕上部結(jié)構(gòu)由于地震而產(chǎn)生的響應(yīng)?；A(chǔ)隔震的方法在多層建筑中使用得比較多，小高層建筑中，如果建筑整體的形狀比較規(guī)則的話，也可以使用基礎(chǔ)隔震的方法。但是，基礎(chǔ)隔震的方法在高層建筑中的使用效果不是很明顯［10-11］。

7 建筑物在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)要注重的問題

地震是由于地殼的運(yùn)動(dòng)引起的，地質(zhì)情況對地震的形成有著巨大的影響。很多房屋倒塌受地震波的走向影響特別大，對于地震的走向問題的判定主要是根據(jù)發(fā)生地震以后房屋產(chǎn)生震動(dòng)的方向，因此，在進(jìn)行建筑物的選址時(shí)，要充分地考慮地震的走向問題，對選址地的地質(zhì)條件進(jìn)行充分的分析和研究，以此來了解地震的走向。通過以往的地震震害情況來看，在發(fā)生地震的地區(qū)，建筑物的方向和地震的走向是平行關(guān)系時(shí)，非常容易造成建筑物的坍塌；而建筑物的方向和地震的走向?yàn)榇怪睍r(shí)，建筑物的坍塌概率就很低。因此，建筑物的建設(shè)方向要盡量和地震的走向保持垂直，以此來減少地震走向?qū)ㄖ镌斐傻奈：Α?/p>

8 無粘結(jié)支撐體系在減震設(shè)計(jì)當(dāng)中的作用

無粘結(jié)支撐體系在所有的減震體系中是對地震的敏感度最高的。該體系通過保證外包的鋼管和內(nèi)核鋼之間不發(fā)生粘結(jié)，或者通過在兩者中間涂上不會(huì)發(fā)生粘結(jié)的漆，形成一種滑移的接觸面來實(shí)現(xiàn)。需要保證支撐的兩端內(nèi)核鋼支撐部位的裸露，而在內(nèi)核鋼支撐的中間部位加上外包層，使用螺旋栓對二者進(jìn)行連接，確保產(chǎn)生的拉力及壓力都可以在內(nèi)核鋼支撐的承受范圍之內(nèi)。對于滑移面所使用的材料及大小尺寸，都需要進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)及精密的施工，保證外包層和內(nèi)核鋼進(jìn)行相對滑動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀況受到控制。對內(nèi)核鋼支撐可能會(huì)發(fā)生的變形進(jìn)行控制和約束，可以有效地降低在壓力影響下產(chǎn)生的內(nèi)核鋼支撐變形情況。無粘結(jié)支撐體系的設(shè)計(jì)也存在著一定的缺陷，對于所使用到的附件計(jì)算精確度和設(shè)計(jì)方面的一些問題的要求非常的嚴(yán)苛。無粘結(jié)支撐體系所存在的建筑物中，建筑物的整體重量是由內(nèi)鋼來進(jìn)行支承的，外鋼的主要作用是對重量進(jìn)行輔助支撐，通過外鋼的輔助效果來提高內(nèi)鋼的支承效果，極大程度上降低了內(nèi)鋼彎曲的概率。

9 結(jié)語

對建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)隔減震的設(shè)計(jì)，并且采取隔震和消能減震的方法來對建筑物的抗震能力進(jìn)行提高，可以極大地減少建筑物的后期維護(hù)成本。隔震和消能減震技術(shù)在建筑行業(yè)被廣泛使用并取得了良好的效果，也可以將這些成功的經(jīng)驗(yàn)利用在其他的相關(guān)領(lǐng)域中，從而發(fā)揮出更大的作用。