建筑结构隔震与减震设计相关问题探讨

建筑结构隔震与减震设计相关问题探讨

张晓华

深圳市铁汉生态环境股份有限公司广东深圳518000

摘要：随着我国经济社会的快速发展，建筑工程建设规模逐渐扩大。设计从业工作者一直把建筑结构抗震设计视为建筑结构设计的重点和难点问题。本文旨在对隔震结构的设计原理及隔震装置进行基本的介绍，同时根据隔震减震结构的规划与设计实例探讨隔震减震结构在实际中的运用问题。

关键词：建筑结构；隔震；减震；设计

引言

在高层建筑建设过程中，能否充分的考虑到建筑本身的抗震问题，并且能够使用有效的措施来使其能够在长时间内抵抗一定强度的地震，是当前高层建筑工程中的重点研究项目之一，这对于建筑结构的安全性和稳定性有着十分重要的影响，长久以来，很多建筑工程设计技术人员都是秉承小震不坏，中震可修、大震不倒的原则来进行结构设计的，隔震减震对保护建筑物在地震作用下的安全和使用具有其独特的优势。

1地震作用的影响

地震是一种危及人民生命财产安全、破坏性极大的突发性自然灾害，地震造成生命、财产损失的直接原因是建筑物的剧烈震动、破坏倒塌。我国长期以来同样饱受地震灾害之痛。抗震防灾是一项特殊的社会公益事业，它关系着经济发展和社会稳定。

目前国内普遍使用的传统土木、混凝土结构建筑的抗震设计，利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用，吸收地震能量，立足于“抗”，地震产生的过大的加速度和层间变形容易使建筑内部发生破坏，混凝土出现裂缝，钢筋发生屈服，震后的使用功能受到影响，维修恢复的费用也较大。而对于隔震结构，则是在在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层，阻止地震能量向上传递，立足于“隔”，上部结构受到的水平力比—般建筑要小很多，使隔震层上部的建筑结构使用功能不受较大的影响。

各地政府对消能减震技术也越来越重视，这也大大推动了消能减震技术在我国的发展。例如：全国范围内中小学校舍抗震加固的“校安工程”推荐使用消能减震技术；河北省规定新建、改建、扩建的学校、医院、地震避难场馆、高层建筑等人员密集的建设工程，其抗震设防要求应按照当地抗震设防标准至少提高一度进行设防；云南省颁布了地方规定，云南省新建的中小学校舍和医院将全部使用减隔震技术。

2隔震与减震结构设计

2.1隔震结构设计

与传统抗震结构相比，隔震结构具有以下优点：提高了地震时结构的安全性；减少了地震能量向上部结构的传输，使得上部结构的设计更加灵活；防止建筑物内部可移动物体的移动，减少了次生灾害；防止非结构构件的损坏；经过合理设计，可降低工程造价。

隔震结构体系更适用地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑。如:医院，政府，银行，警察局，指挥中心及放置重要文件，机器的房屋。

一般情况下，隔震层适宜设置在结构的第一层以下的部位。一般隔震层顶部都应设置平面刚度足够大的梁板体系，这是为了保证隔震层能够整体协调工作。

为达到明显减震效果，通常基础隔震系统需具备以下四种特性：

（1）承载特性：具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结构的重量；

（2）隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下，体系能保持在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时，其水平刚度较小，结构为柔性隔震结构体系；

（3）复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满足正常的使用要求。

（4）耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能耗散足够的能量，从而降低上部结构所吸收的地震能量。

2.2减震结构设计

消能减震技术是通过消能减震产品增加结构附加阻尼比来消耗地震能量，通过耗能装置产生摩擦，以及弯曲，弹塑性变形耗能来耗散地震能量，从而在地震作用中保护建筑主体结构，避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控震的目的。耗能装置属于非承重构件，仅在变形过程中发挥耗能作用，即增设消能器不改变主体结构的竖向受力体系，故在不同类型的结构、不同高度的结构均适用，具有较宽的适用范围，同时，耗能器不改变结构的基本形式，因此，耗能部件外的结构设计可按普通结构类型的要求执行。

3建筑结构隔震与减震设计要点

3.1减震隔震构造措施

当地震发生时，高层建筑内部的减震隔震结构会发生一定程度的水平位移，为了保证减震隔震层在地震发生时能够有效的保证建筑结构能够稳定不受到损坏，能够抵御其内部结构发生位移所带来的变动，设计时，在减震隔震结构层上部设置竖直方向的隔离缝，隔离缝宽度设置为500毫米即可;上部结构和下部结构之间还有设置完全贯通的水平隔离缝，隔离缝高度设置为20毫米并在该空间内采用柔性材料进行填充，以减轻其在震动时产生的大力度的冲击而造成损坏;在电梯井侧壁则采用下挂的方式进行设计处理，井道外侧包皮到地下室柱、填充墙等处于非减震隔震构造区域的净距离要大于500毫米，悬挂式电梯的地坑底板外侧包皮到基础底板上方包皮之间的净距离不得小于600毫米;穿越减震隔震层的排水管道、电气强、弱电电缆等各种必要导线都要采用柔性连接或者其他有效的方法来适应减震隔震层在面临高强度地震时发生的结构水平方向偏移的要求。

3.2隔震优化措施

（1）基础隔震结构。基础隔震指代针对建筑基础部分减小地震波，进而无法传递到上部结构，使其在某种程度控制地震所产生的损坏。一般在基础和上部结构布设隔震装置，和高层建筑相比，外形规则匀称的底层建筑具有优良的隔震效果，产生这一问题的根本原因是高层建筑结构布设隔震装置可能会增加自振周期，以此来削弱隔震效果。当前基础隔震全面进步，且发展形态呈现出多样化特性，不断完善。

（2）悬挂隔震。悬挂隔震原理为阻隔地面地震波传送到建筑主体结构，以免主体结构被损坏。这一结构中的大多数质量基本均附着在地面上，一旦地震到来，结构上层分离使得无惯性力出现，以此来达到大大隔震目的。主要应用在大型钢结构和钢结构中，又可细分成主框架与子结构。当悬挂子结构时，则主框架结构和子结构随即分离。待地震波移动至悬挂部位时，则地震能量显著减少，全面控制了地震的进一步传递，降低了地震损害。

（3）层间隔震装置。层间隔震是面向原结构装设耗能减震装置，包含质量与隔震支座这两部分。当地震来临时，一般由隔震与减震来吸收相应的地震能量，降低地震损害，减小地震所产生的不良影响。抗震技术辅以隔震技术便是层间隔震。然而，层间隔震的实际减震效果低于基础隔震技术效果，大约低至20%左右。该技术具有较大的应用空间，除可应用在新建建筑物，还能巩固强化既有建筑物。

3.3耗能元件的选用

在消能减震结构体系中，消能(阻尼)装置或元件在主体结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，消耗掉输入结构体系的大量地震能量，使结构本身需消耗的能量很少，这意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。

由于消能减震结构具有减震机理明确、减震效果显著、安全可靠、经济合理、适用范围广等特点，目前已被成功用于工程结构的减震控制中。

耗能元件大体上可以分为三类：

（1）速度相关型耗能元件，如线性粘滞或粘弹性阻尼器；粘弹性阻尼器由粘弹性材料和约束钢板组成，典型的粘弹性阻尼器下图所示。它由两个T形约束钢板夹一块矩形钢板组成，T形约束钢板与中间钢板之间夹有一层粘弹性阻尼材料（通常用有机硅或其他高分子材料）。

（2）位移相关型耗能元件，如金属屈服型或摩擦型阻尼器；金属屈服阻尼器是用软钢或其他软金属材料做成的各种形式的阻尼耗能器。它对结构进行振动控制的机理是将结构振动的部分能量通过金属的屈服滞回耗能耗散掉，从而达到减小结构反应的目的。

（3）调谐吸震型耗能元件，如调谐质量阻尼器(TunedMassDamper，TMD)或调谐液体阻尼器(TunedLiquidDamper，TLD)。

3.4维护及保养措施

为了保证在建筑工事完成后进行的验收以及日常管理和维修、震后修复工作过程中能够对隔震支座的性能提供相对较为直观且及时的依据，例如在发生地震或者建筑经过长期的运营之后，要定期的检测隔震支座在使用过程中是否存在损坏或者不可恢复的变形、隔震沟是否被其他填充物所堵塞、减震隔震层上部结构是否存在有限制其在地震中发生水平位移的障碍物等，要建立相关的制度以及详细的检查和维护计划，要时刻关注高层建筑结构中减震隔震层的工作状态和稳定性。

在减震隔震结构楼层的楼梯间、电梯间以及竖向隔离缝等构造附近或者建筑物的出入口都要设置有相应的隔震警示标志，提醒业主和其他人员对高层建筑减震隔震构建以及隔震构造的监督和维护，要明确提示在减震隔震构造工作的过程中业主和其他人员均不得填充、堆放杂物或者其他会对隔震层结构工作造成影响的行为，也不可在其上部放置任何会影响隔震层在地震中发生水平位移的构造物。

结束语

在当前的高层建筑结构设计工作中，减震隔震措施的采用是防止地震对建筑以及生命财产造成威胁的重要保障。隔震减震技术的成熟发展及推广应用，标志着人类在防震减灾方面取得了长足的发展。采用隔震减震能保障居住者生命安全，显著减少房屋震后财产损失，适宜在高烈度地震区重要建筑中推广应用。

参考文献

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