结构工程中的抗震与减震技术

结构工程中的抗震与减震技术

龚显臣

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长宇（珠海）国际建筑设计有限公司武汉分公司

摘要：本文深入探讨了结构工程领域的抗震与减震技术。抗震技术通过提高建筑物的强度、刚度和稳定性，有效减小地震对建筑物的影响。常见方法包括剪力墙、框架结构和基础隔震。减震技术旨在减小结构振动幅度，采用减震器、阻尼器和基础隔离等手段。通过具体案例如台北101大楼和东京晴空塔的应用，展示了这些技术的实际效果。抗震与减震技术在工程领域的应用将为抵御地震灾害提供强有力支持，保护人们的生命和财产安全。

关键词：结构工程；抗震与减震；技术

引言

地震是一种自然灾害，常常造成巨大的破坏和生命损失。在结构工程领域，抗震与减震技术的研究与应用变得至关重要。本文将深入探讨结构工程中的抗震与减震技术，包括其基本原理、常见方法和在实际工程中的应用。

一、抗震技术

（一）基本原理

抗震技术旨在提高建筑物抵抗地震力的能力，减小地震对结构的影响。其基本原理包括以下几个方面：1.结构强度提升：通过使用高强度的材料和增加材料的数量来提高建筑物的整体强度，使其更能抵抗地震产生的力量。2. 结构刚度增加：增加结构的刚度可以减小结构的变形，从而减少地震引起的损害。这可以通过加固结构的梁柱连接或者增加剪力墙等方式来实现。3.避免共振：共振是指结构在地震波传播中与地震波的频率相匹配，从而引起更大的振动。通过设计避免共振的结构，可以减小地震产生的振动幅度。

（二）常见抗震方法

在实际工程中，有多种常见的抗震方法，其中一些包括：1. 剪力墙：剪力墙是一种垂直于地震方向的墙壁结构，用于提供水平抗力。它们可以通过混凝土或钢材构建，以减小地震对建筑物的影响。2.框架结构：框架结构是一种由钢材或混凝土构成的骨架结构，具有较强的刚度和强度，可以有效地抵御地震力。3.基础隔震：基础隔震技术通过将建筑物与地面隔离，降低地震波传递给建筑物的能量。这通常通过使用隔震支座或基础隔震垫实现。4.斜撑和加固：斜撑是一种通过对建筑物添加斜杆或斜撑来增加其稳定性的方法。加固则是通过在现有结构上添加材料或构件来提高其强度和刚度。

二、减震技术

（一）基本原理

减震技术的主要目标是减小地震引起的结构振动幅度，从而保护建筑物和其内部设施。减震原理包括以下几个方面：1.质量控制：通过改变建筑物的质量分布，可以改变其振动特性。增加上部质量或降低下部质量可以降低振动幅度。2.能量耗散：减震设备通常包括能量耗散元件，如减震器或阻尼器，用于吸收和耗散地震能量，减小结构振动。3.位移控制：减震系统可以通过限制结构的位移来减小振动幅度。这可以通过多种机械装置或液压系统来实现。这些装置能够迅速响应地震引起的结构运动，通过调整和限制结构的位移，控制结构振动在安全范围内。机械装置如减震器、摩擦阻尼器和斜撑等，以及液压系统，如液体阻尼器，都能有效地减小结构振动，保障建筑物的安全稳定。这些技术的应用使得建筑物能够在地震时减少振动，为抵御地震灾害提供了可靠的手段。

（二）常见减震方法

以下是一些常见的减震技术：1.减震器：减震器是一种装置，通过其内部材料的变形或摩擦来吸收和耗散地震能量。常见类型包括液体减震器、摩擦减震器和摇摆减震器。2.阻尼器：阻尼器是一种能够提供阻力的装置，用于减小结构振动。这些装置可以通过液体、摩擦或电磁原理来实现。3.基础隔离：基础隔离技术通过将建筑物与地面隔离，降低地震波传递给建筑物的能量。这可以通过使用隔震支座或基础隔离垫来实现。隔震支座或基础隔离垫的设置有效地削弱了地震波传至建筑结构的冲击力，从而降低了结构受力，减小了结构的振动幅度。这种技术在地震发生时对保护建筑物起到了关键作用，为地震灾害时期的人身和财产安全提供了重要保障。

三、应用案例

（一）抗震技术应用案例

1.台北101大楼：台北101是世界上最高的摩天大楼之一，采用了多种抗震技术，包括大型剪力墙、强化结构和基础隔离。大型剪力墙分布在建筑的不同部位，能够有效抵抗地震引起的侧向力，增强建筑的整体稳定性。强化结构通过使用高强度材料和先进的建筑技术，提高了建筑的整体抗震能力。基础隔离技术则通过隔离建筑与地基之间的直接接触，降低了地震波传递到建筑的影响，进一步保护了建筑物免受地震破坏。这些抗震技术的综合应用使得台北101在地震时能够保持相对稳定，为台湾地震频发的地区提供了有力的抗震保护。

2.旧金山湾区大桥：该桥采用了新型的地震减震器，能够在地震时吸收能量，减小结构振动幅度，保证了桥梁的稳定性和安全性。这些地震减震器设计精巧，具备高效的能量吸收和分散机制，使得地震时产生的能量得以释放，避免了振幅过大造成的结构破坏。减震器的使用使得桥梁在地震后能够迅速恢复正常，保障了桥梁的长期使用和安全运营。这种创新的地震减震技术为桥梁工程领域带来了新的安全保障手段，为地震频繁地区的桥梁设计树立了新的标杆。

（二）减震技术应用案例

1.日本东京晴空塔：该塔采用了液体减震器技术，通过在塔的顶部设置液体减震器来吸收地震能量，减小塔的振动。液体减震器是一种能够在地震时迅速产生阻尼力的装置，其内部充填着特定的液体，当结构发生振动时，液体会受到压力变化，迅速产生阻尼效果，吸收振动能量，减小结构的摆动幅度。这种技术不仅可以应对地震，还可以抵抗风力等其他外部力。液体减震器的设计结构精密，能够适应多种工程需求，为高层建筑在地震发生时的稳定性和安全性提供了重要保障。通过液体减震器技术的应用，该塔在地震时表现出色，为该地区的高层建筑树立了新的安全标准，也为全球高层建筑的抗震设计提供了有益经验。

2.加利福尼亚奥克兰湾大桥：该桥采用了摩擦减震器技术，这种技术在地震时能够提供阻尼作用，减小桥梁的振动幅度，确保桥梁的安全。摩擦减震器是一种高效的地震减震装置，其工作原理基于摩擦阻力，通过调整摩擦阻尼来吸收和消散地震引起的能量。当地震发生时，桥梁结构产生摆动，摩擦减震器通过内部的摩擦机制迅速响应，转化结构的动能为热能，阻尼震动，从而减小了振幅和振动持续时间。这种技术的优点在于能够提供可控的阻尼效果，具有较好的可调节性和稳定性。摩擦减震器能够通过设计不同的摩擦系数和结构参数来适应不同的地震情况，最大程度地保护了桥梁结构，确保其在地震发生后能够保持稳定，为过往车辆和行人提供安全通行。这种先进的地震减震技术为桥梁工程领域增添了新的安全保障，也为其他地震频发地区的桥梁设计提供了宝贵经验。

结语

抗震与减震技术在结构工程中起着至关重要的作用。抗震技术通过提高结构的强度、刚度和稳定性来抵抗地震力，而减震技术则通过吸收和耗散地震能量，减小结构的振动幅度。工程师们在设计和建造建筑物时应充分考虑并合理应用这些技术，以确保建筑物在地震发生时能够保持稳定和安全。随着科学技术的不断发展，我们可以期待抗震与减震技术在未来得到更加广泛和深入的应用，为人们的生命和财产安全提供更加强有力的保障。

参考文献

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[3]吴君平.浅谈工程抗震的基本方法与应用措施[J].中国西部科技,2022,8(12):49-50.