試議建筑隔振消能減震技術(shù)

1、<p>　　試議建筑隔振消能減震技術(shù)</p><p>　　【摘 要】針對(duì)地震這種嚴(yán)重的自然災(zāi)害對(duì)建筑物的不利影響，分析介紹了隔震及減震的原理及工程應(yīng)用方法，并對(duì)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較，為實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)的隔震及減震分析提供了參考。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】隔震；消能減震；振動(dòng)控制 </p><p><b>　　1、地震的危害 <

2、/b></p><p>　　建筑物除了承受豎向荷載外，還要承擔(dān)風(fēng)和地震水平荷載的作用，建筑物越高，這個(gè)水平荷載效應(yīng)就越明顯。我國(guó)41%的國(guó)土、50%以上的城市位于地震烈度7度以上的地區(qū)，面臨的地震災(zāi)害形勢(shì)非常嚴(yán)峻。地震是人類(lèi)面臨的最嚴(yán)重的突發(fā)性的自然災(zāi)害之一，對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成很大的危害。 </p><p>　　1.1 造成大量人員傷亡 </p><p&g

3、t;　　1976年唐山發(fā)生的7.8級(jí)強(qiáng)烈地震，頃刻間，百余萬(wàn)人口工業(yè)城市被夷為平地，造成24.2萬(wàn)人死亡，16.4萬(wàn)余人重傷。自1900年有記錄以來(lái)，我國(guó)死于地震的人數(shù)達(dá)55萬(wàn)之多，占全球地震死亡人數(shù)的53%。 </p><p>　　1.2 破壞人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境 </p><p>　　自我國(guó)1900年有記錄以來(lái)，地震成災(zāi)面積達(dá)30多萬(wàn)平方公里，房屋倒塌達(dá)700萬(wàn)間。 </p>

4、<p>　　1.3 沖擊人類(lèi)社會(huì)的正常運(yùn)行秩序和造成大量的經(jīng)濟(jì)損失 </p><p>　　唐山地震的直接經(jīng)濟(jì)損失近百億元，震后重建投資達(dá)百億元。1995年，日本阪神地震中經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)1000億美元。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化使人口和財(cái)富高度密集，強(qiáng)烈地震造成的傷亡和損失將越來(lái)越大，地震后的修復(fù)和城市的復(fù)興就越有難度，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的沖擊也將更為劇烈。 </p><p&g

5、t;<b>　　2、傳統(tǒng)抗震方法 </b></p><p>　　地震造成的破壞給人類(lèi)留下的烙印是深刻的。而我們結(jié)構(gòu)工程師們一直沒(méi)有停止過(guò)對(duì)建筑物抗震的研究。建造抗強(qiáng)烈地震的建筑物和構(gòu)筑物成為建筑工程領(lǐng)域重要的課題。為了抵御地震災(zāi)害，通常的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的是抗震設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)的是“抗”，即采用“延性結(jié)構(gòu)體系”適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度，但容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如梁、柱、墻、節(jié)點(diǎn)等等）在地震時(shí)，進(jìn)入非彈性狀態(tài)，

6、并且具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反映，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。 </p><p>　　這種體系在很多情況下是有效的，但也存在很多局限性：首先，由于結(jié)構(gòu)物的承重構(gòu)件在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，對(duì)某些重要的結(jié)構(gòu)物是不容許的（紀(jì)念性建筑、裝飾昂貴的現(xiàn)代化建筑、原子能發(fā)電站等）；其次，對(duì)于一般性建筑，當(dāng)遭遇超過(guò)設(shè)防烈度地震時(shí)，由于主體結(jié)構(gòu)已發(fā)生嚴(yán)重非彈性變形，在地震后難以修復(fù)或在強(qiáng)地震中嚴(yán)重破壞，甚至倒塌，其破壞程

7、度難以控制；再次，隨著地震強(qiáng)度的增大，結(jié)構(gòu)的斷面和配筋都相應(yīng)增大，造成經(jīng)濟(jì)的“浪費(fèi)”。 </p><p>　　3、隔震、消能減震 </p><p>　　3.1 隔震與消能減震原理 </p><p>　　隔振、減震控制的基本原理是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間或建筑物與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震、減震裝置，通過(guò)隔震、減震裝置的耗能特性，減小振動(dòng)能量向周?chē)h(huán)境的傳遞，達(dá)到減小振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境影響的

8、目的。 </p><p>　　3.2 隔震與減震方法 </p><p>　　3.2.1 粘彈性阻尼結(jié)構(gòu) </p><p>　　粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)、地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及大量的結(jié)構(gòu)分析表明，在結(jié)構(gòu)中安裝粘彈性阻尼器可減小風(fēng)振反應(yīng)和地震反應(yīng)40%～80%，可確保主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)震中的安全性，并使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)的舒適度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。西雅圖哥倫比亞中心大

9、廈起初是因?yàn)樵陲L(fēng)振的影響下，頂部幾層有明顯的不舒適感，安上粘彈性阻尼器后，不再有不舒適感，效果良好。若采用加大剛度的方法來(lái)獲得同樣的效果，需要把現(xiàn)有的柱尺寸擴(kuò)大一倍，粗算價(jià)值約800萬(wàn)美元，顯然采用增加剛度的辦法是難以接受的，而采用粘彈性阻尼器所用的試驗(yàn)及安裝費(fèi)用僅70萬(wàn)美元。在北京的銀泰中心也設(shè)置了粘滯阻尼器，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)證明有很好的減振效果。由此可見(jiàn)，采用粘彈性阻尼器減小建筑的風(fēng)振或地震效應(yīng)在經(jīng)濟(jì)上是相當(dāng)可觀的。 </p>

10、<p>　　3.2.2 吸能減震 </p><p>　　吸震減震是通過(guò)附加子結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)的震動(dòng)發(fā)生位移，即使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量在原結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之間重新分配，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)震動(dòng)的目的。目前，工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用的吸震減震裝置主要有：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（簡(jiǎn)稱(chēng)TMD），調(diào)液（柱）阻尼器（簡(jiǎn)稱(chēng)TLD或TLCD）懸吊質(zhì)量擺阻尼器（簡(jiǎn)稱(chēng)SMPD）和質(zhì)量放大器。屋面上的水箱也起到一定的減震效果，相當(dāng)于TMD。 </p>

11、;<p>　　3.2.3 金屬阻尼器 </p><p>　　是在框架中加屈曲約束支撐，在常規(guī)荷載下，起到支撐的作用，而在地震作用下，金屬支撐通過(guò)塑性變形來(lái)消耗地震的能量，從而起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用。這在抗震加固的工程中得到廣泛的應(yīng)用。擬建的首都規(guī)劃大廈設(shè)置了柱間“人”字型支撐，大大減小了地震力的影響。 </p><p>　　3.2.4 沖擊減震 </p><

12、;p>　　沖擊減震是依靠附加活動(dòng)質(zhì)量與結(jié)構(gòu)之間的非完全彈性碰撞達(dá)到交換動(dòng)量和耗散動(dòng)能進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減小結(jié)地震反應(yīng)的技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般在結(jié)構(gòu)的某部位（常在頂部）懸掛擺錘。結(jié)構(gòu)震動(dòng)時(shí)，擺錘撞擊結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)震動(dòng)衰減。另外，擺錘還兼有吸振器的功能。 </p><p>　　3.2.5 更為先進(jìn)的減震體系 </p><p>　　前面所提到的是被動(dòng)的控制地震力的方法，現(xiàn)在隨著科技的發(fā)展，主動(dòng)和半主動(dòng)控

13、制也正在被廣泛地研究中，它是在不同學(xué)科和專(zhuān)業(yè)之間開(kāi)展合作和交叉研究，開(kāi)發(fā)使用的感應(yīng)和接收裝置、結(jié)合控制專(zhuān)業(yè)的配套技術(shù)，形成新的產(chǎn)業(yè)，以支持新技術(shù)的推廣應(yīng)用。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究和應(yīng)用需要將傳統(tǒng)的建造技術(shù)與高新技術(shù)相結(jié)合，使結(jié)構(gòu)的安全保障系統(tǒng)成為智能結(jié)構(gòu)的重要組成部分。如在建筑物基礎(chǔ)安裝像汽車(chē)安全氣囊的感應(yīng)氣墊，一旦地震來(lái)臨，縱波感應(yīng)器啟動(dòng)，在橫波能量對(duì)建筑物造成破壞前感應(yīng)氣墊膨脹并把來(lái)自于縱波的能量進(jìn)行消能。真正實(shí)現(xiàn)了像汽車(chē)一樣的智能減震

14、體系。 </p><p>　　3.3 隔震與消能減震的效果 </p><p>　　3.3.1 明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng) </p><p>　　從振動(dòng)臺(tái)地震模擬試驗(yàn)結(jié)果及美國(guó)、日本建造的隔震結(jié)構(gòu)在地震中的強(qiáng)震記錄得知，隔振體系的結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)只相當(dāng)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（基礎(chǔ)固定）加速度反應(yīng)的1/10～1/3。這種減震效果是一般傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)所望塵莫及的。從而能非常有效地保護(hù)結(jié)

15、構(gòu)物或內(nèi)部設(shè)備在強(qiáng)地震沖擊下免遭任何毀壞。 </p><p>　　3.3.2 確保安全 </p><p>　　在地面劇烈震動(dòng)時(shí)，上部結(jié)構(gòu)仍能處于正常的彈性工作狀態(tài)。這既適用于一般民用建筑結(jié)構(gòu)，確保居民在強(qiáng)地震中的絕對(duì)安全，也適用于某些重要結(jié)構(gòu)物和重要設(shè)備。（如醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室、核電站） </p><p>　　3.3.3 降低建筑物造價(jià) </p><p

16、>　　從汕頭、廣州、西昌等地建造隔震房屋得知，多層隔震房屋比傳統(tǒng)多層隔震房屋節(jié)省房屋土建造價(jià)：7度區(qū)節(jié)省3%～6%，8度區(qū)節(jié)省8%～14%，9度區(qū)節(jié)省15%～20%。并且安全度大大提高。 </p><p>　　3.3.4 抗震措施簡(jiǎn)單明了 </p><p>　　抗震涉及的對(duì)象從考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)物的復(fù)雜的不明確的抗震措施轉(zhuǎn)變?yōu)橹豢紤]隔震裝置，簡(jiǎn)單明了。結(jié)構(gòu)物本身與一般非地震區(qū)的做法無(wú)異，設(shè)

17、計(jì)施工大大簡(jiǎn)化。 </p><p>　　3.3.5 震后修復(fù)方便 </p><p>　　地震后，只對(duì)隔震裝置進(jìn)行必要的檢查更換。而無(wú)需考慮建筑結(jié)構(gòu)物本身的修復(fù)，地震后可很快恢復(fù)正產(chǎn)生活或生產(chǎn)，這帶來(lái)極明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 </p><p>　　3.3.6 為設(shè)計(jì)提供空間 </p><p>　　在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸可能做

18、的很小，這樣能夠留給建筑師更大的創(chuàng)作空間，做出更加纖細(xì)靈巧的建筑物。 </p><p><b>　　4、結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　耗能減震技術(shù)為建筑的抗震設(shè)計(jì)和抗震加固提供了一條嶄新的途徑，它克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)“硬碰硬”式的抗震設(shè)計(jì)方法，具有概念簡(jiǎn)單、減震機(jī)理明確、減震效果顯著，安全可靠等特點(diǎn)。雖然現(xiàn)有的規(guī)范和規(guī)程對(duì)這方面闡述的不夠完善，現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)軟件也沒(méi)有提供

19、這方面的計(jì)算程序，不過(guò)可以預(yù)言，耗能減震技術(shù)以其不可忽視的優(yōu)點(diǎn)，將成為21世紀(jì)建筑減震防災(zāi)的重要手段和方法，為減輕地震對(duì)人類(lèi)造成的危害作出巨大貢獻(xiàn)。為人類(lèi)營(yíng)造一個(gè)更加安全舒適，更加綠色環(huán)保的工作和生活環(huán)境。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]董艷英.阻屈耗能支撐（BRB）系統(tǒng)耗能的全過(guò)程有限元分析[D].河北理工大學(xué)，200