建筑结构设计隔震减震技术浅析

建筑结构设计隔震减震技术浅析

王世睿

商洛市建筑勘察设计院  陕西省商洛市 726000

摘要：面对地震等自然灾害的发生，在无法消除震源的情况下，人类在设计建筑结构时，只能做到在一定程度上隔震及减震。为提高建筑结构隔震及减震的性能，设计人员需要对建筑结构所承受的作用力、结构内部产生的各种应力进行综合分析，之后充分运用结构本身的特点设计各类辅助措施，从而达到上述目的。总体来看，做好建筑结构减震抗震设计工作，是对国家、社会、人民负责，具有深远意义。文章对隔震减震技术进行了探索分析。

关键词：建筑结构；隔振；减震

1隔震减震技术的发展

目前，我国对建筑物结构隔震减震的技术要求主要有以下几点：如果发生地震等级较小，那么建筑物结构将保持良好，不会断裂及倒塌；当发生的地震等级为中等规模时，建筑物结构受到的损伤可以进行修缮；当发生的地震等级为较大规模时，建筑物结构会出现断裂，但是不会倒塌，可以很好地保障人们的生命和财产安全。目前来看，现有的抗震减震设计主要有两个缺陷：第一，如果设计的构件比较大，在地震等级较大时，会对空间和建筑所要实现的功能发生影响；第二，虽然结构构件的延性可以在一定程度上吸收地震的能量，防止建筑物倒塌，如果进行震后修复，会需要比较多的资金。因此隔震减震技术越来越受到大家的重视，其关键技术在于对其结构性能如何更好地提升。

隔震减震技术最早被提出是在20世纪中期，各国学者们对其进行研究，并取得了很多优秀的成果。新西兰学者在20世纪70年代设计的铅芯叠层橡胶支座，在隔震减震技术的发展应用上具有较大的推动意义。我国于20世纪80年代提出了隔震减震技术，在20世纪末隔震减震技术发展迅速并取得了较好的应用，在抗震中有着非常重要的地位。

2隔震减震措施的衡量标准

关于结构的性能需求，目前的抗地震设计准则中主要有两种表示方法：一种是根据破坏的等级来表示，一种是按照其应用的重要性按隔震减震装置的保护等级来表示。建筑结构损伤可分为未受损和在一般维护下受损，可修理或倒塌；地震设防分为甲、乙、丙、丁四类。在某些钢筋混凝土建筑结构中，现行规范以普通维护和倒塌的分层变形角度作为定量指标，而在各种防震级别中，则采用了不同的防震方法。举例来说，乙级建筑采用的防震措施标准要比丙级建筑的有关规范要高一级。如果按照设计要求采取相应的抗震措施，那么在遭受与当地设防强度相同的地震冲击时，乙级建筑受到的破坏程度要比丙级建筑要小一些。在遭受该区域罕见的地震冲击时，乙级建筑的抗坍塌性能显著高于丙级建筑[1]。

现行《抗震鉴定标准》中所提出的“建筑总体的抗震能力按量进行划分”，可以从不同功能要求的建筑物结构所具备的抗震能力进行划分。根据目前的地震设计标准，将丙型建筑结构的设计看作是符合基础承载力的结构，并将其承载力与变形能力相组合，作为建筑结构整体抗震能力的基础值；对于乙类建筑具有高性能（包括变形）的建筑结构，其整体抗震能力应该小于基础数值。具体的取值高低可以依据其性能需求来决定。

3建筑结构设计隔震减震技术浅析

3.1隔震技术

3.1.1地基隔震

在发生地震时，建筑物的地基是建筑物与震源发生最直接接触的区域，并且在震后会有直接的震动，所以在地基中安装隔震设施可以有效降低地震对建筑造成的影响。在建筑物的地基上安装隔震装置是对建筑物的基础部位进行隔震处理，一般情况下会在建筑结构的基础上铺设垫层，这样可以减少由于地震引起的震动，减少对建筑物的冲击。传统的建筑隔震施工技术主要是在建筑的地基上混合铺设黏土和砂土或在软黏土和砂土之间放设土工布。在我国建设工程技术进步的今天，有关部门在进行抗震措施的设计时，开发了改性沥青阻尼减震材料，这种材料能够有效取代黏土砂垫层。因为具有极强的隔震减震能力，可以有效地降低建筑构造在地震中受到的破坏，获得了广泛应用。

3.1.2层间隔震

在建筑结构与建筑结构的层间设置隔震装置，当遭遇地震伤害时，隔震装置可以在一定程度上把地震的能量吸收，以此可以减少地震所带来的能量对建筑物造成的损伤，进而可以达到减震的实际效果。层间隔震与基础隔震虽然在装置上差不多，但是隔震效果基础隔震高于层间隔震13%。基于此，层间隔震技术因其具有操作起来比较简单易行，一般在对旧建筑结构改造中得到应用[2]。

3.1.3结构悬挂隔震

使用锁链把建筑结构悬吊起来，当遭遇地震灾害时，大多数地震将不能够传递到建筑结构上，可以起到较好的保护建筑物避免受到地震的损害。钢结构的设计减震较多采用这种方法，在建筑时建设两个部分，一个主框架和一个子框架，利用锁链把子框架悬挂在主框架结构上，当遭遇地震影响时，主框架会受到较多的影响，子框架受到的影响将微乎其微，可以起到保护整体结构稳定性的效果。

3.2减震技术

3.2.1结构耗能减震技术的特点

结构耗能减震的原理是：设计人员可以选择结构的支撑位置、剪力墙、节点、连接缝、楼层空间、相邻建筑间、主附结构件等部位，将具有“耗能”功能的装置（如阻尼装置）设置在其中。如此一来，当建筑结构受到地震作用力时，地震能量通过阻尼装置时会与之产生摩擦，从而消耗地震能量，降低传递至建筑结构的能量。

传统耗能减震结构建筑的特点是：结构整体依靠自身自带的“滞回”功能，对地震能量进行消耗。这种设计不仅降低地震能量的作用十分有限，结构构件完全基于自身的“弹塑性变形能力”对地震能量进行消耗，会极大地损害构件本身。因此，当遭遇地震时，建筑结构构件消耗的地震能量越大，本身受破坏程度也越大，合理性和作用性均较低。经过改良升级后的耗能减震结构体系中，由于设置了耗能（阻尼）装置或特定的元件，这些装置会在地震发生时先于建筑主体结构构件进入耗能工作状态，从而充分发挥耗能作用，极大地降低传入建筑结构体系中的地震能量。在这种耗能减震机制的作用下，建筑结构发生的地震反应会大幅度降低，对建筑结构的保护作用得到极大的加强。

大量实践结果显示，基于耗能减震技术设计的建筑结构，其减震机制十分明确，建筑效果特别明显且安全可靠。除此之外，由于阻尼等装置的成本较低，故建筑的建造成本具有一定经济性[3]。

3.2.2结构耗能减震装置

速度型阻尼器。目前用于桥梁中的减震耗能装置（除减隔震支座）主要是阻尼器装置，且大部分为速度相关型阻尼器，如：粘滞阻尼器、电涡流阻尼器等。传统的粘滞阻尼器应用最为广泛，将其连接主梁底部和桥墩顶部可以有效控制桥梁的地震响应。电涡流阻尼器是采用导体切割磁感线的原理而产生相反作用的阻尼力，相比油阻尼器，该装置耐久性更好，并且通过导体板和永磁体的间距可以更好的调节阻尼系数。电涡流阻尼器可采用板式电涡流，也可采用位移放大型的齿轮齿条式、滚珠丝杠式电涡流阻尼器等。已有研究表明，采用滚珠丝杠机制可以放大起到电涡流阻尼器的放大效应，将其应用于桥梁竖向涡振控制具有明显效果。

惯质类阻尼器。除使用速度型阻尼器控制桥梁震害，国内外学者也研究了更多形式的阻尼器装置，如在阻尼器中引入了一种具有负刚度效应的元件—“惯容器”。通过将惯容器与阻尼器和弹簧组合使用可以起到更好的减震效果。惯质元件具有负刚度效应，并且具有局部位移放大的作用，大量研究表明惯质类阻尼器相比传统的粘滞阻尼器具有更小的物理质量和更高的耗能效果，将其用于地震响应控制具有良好的发展前景。将惯质类阻尼器与结构垂直放置可实现控制隔震建筑的多向地震激励，使其具有更高的容错率[4]。

在利用减震措施来进行建筑结构设计的时候，通常会采用阻尼和消能器两种装置，来提高建筑的抗震能力。我们所熟知的大兴机场就是建在了震动强烈的轨道交通之上的，利用了有效的减震措施，将整个地下1层做成了一个隔震层，在这一层用了1320个减震柱，再加上144个抗震阻尼，用这些减震装置把整个地下一层做成一个隔震的楼层，机场1-5层包含的结构都是建在这个由一千多根柱子所组成，搭建起来的一个大的平板上，也就是说机场的下部结构和上部结构通过隔震层分开，中间是软柱进行支撑，当底下产生震动的时候，是传达不到机场楼本身的。甚至于在未来如果发生地震的时候，整个整板都是活的，所以抗震系数就更强。在自然灾害频发的今天，人们对建筑的安全性抗震性，抗灾害性都格外的关注，这也就是得更多的新型建筑理念不断涌现，也给减震技术带来了全新的发展，减震装置的有效应用能够防范地震所带来的极大危害，增加了建筑本身的牢固性和抗干扰性。同时减震装置已经成为了建筑物的抗震加固措施，通常在开始进行建设之前，就需要设计出相应的减震装置和减震方案，以确保减震措施能够满足实际的抗震需求，确保建筑物的性能得到大幅度的提升。

4结语

综上所述，建筑结构的合理性是十分重要的，建筑的抗震能力直接关系着人们的生命安全，因此要设计师，能够利用一切技术手段，通过科学有效的抗震措施，来保证建筑设计的切实可行性，使建筑的整体质量能够得到有效地提升。

参考文献

[1]于健,朱荣璋,张红.桥梁工程减震和隔震方法研究现状[J].四川水泥,2023,(04):269-271.

[2]王钰.隔震、减震控制技术在建筑结构设计中的运用分析[J].低碳世界,2023,13(01):75-77.

[3]隗伟,章军福,王晖.甲类房屋建筑隔震与消能减震施工新技术[J].建筑施工,2022,44(11):2682-2684.

[4]王敦强,王玺皓.减隔震一体化设计减震效率与设计流程优化[J].计算机辅助工程,2022,31(03):55-62.