建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)

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1 引言
    地震是由于地面的運(yùn)動(dòng)，使地面上原來處于靜止的建筑物受到動(dòng)力作用而產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，因而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力、變形和位移。經(jīng)過簡(jiǎn)化后的模型動(dòng)力學(xué)分析和建筑抗震經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即一次次的震害分析進(jìn)行修正、補(bǔ)充，得到一些建筑物在地震作用下的反應(yīng)機(jī)理及破壞形式，提出了一些建筑物抗震的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)的基本原則。這些在實(shí)際應(yīng)用中得到了很不錯(cuò)的效果。但是，針對(duì)某些重要的建筑物安全性較高的要求和對(duì)一些建筑物的修復(fù)加固改造的問題，在建筑設(shè)計(jì)和施工中逐漸地采用隔震和消能減震技術(shù)。

    隔震即是隔離地震，在建筑物和構(gòu)筑物的基底或某個(gè)位置設(shè)置控制機(jī)構(gòu)來隔離或耗散地震能量，以避免或減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳輸，使結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)減輕，實(shí)現(xiàn)地震時(shí)建筑物只發(fā)生較輕微的運(yùn)動(dòng)和變形，從而保障建筑物的安全。隨著科技發(fā)展，這種技術(shù)越來越來受到人們的重視。

2 傳統(tǒng)的抗震方法
    傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)主要利用結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件屈服后的塑性變形和耗能來耗散地震的能量，因此對(duì)這些區(qū)域的耗能性能要求特別重要。一旦由于某些因素而導(dǎo)致這些區(qū)域產(chǎn)生問題，則就會(huì)嚴(yán)重的影響結(jié)構(gòu)的抗震性能，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。在以往的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，主要通過在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)置多道抗震設(shè)防線、選用耗能構(gòu)件和對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度、承載力、延性的合理匹配來提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

3 隔震技術(shù)與作用機(jī)理
    隔震技術(shù)尚屬新興學(xué)科，它能有效地吸收地震能量，減少結(jié)構(gòu)的水平地震作用，從而消除或減輕結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的地震損壞，增強(qiáng)建筑物及內(nèi)部設(shè)施和人員的地震安全性，提高建筑物的抗震能力。

    與以往的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，采用隔震技術(shù)的建筑物具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    （1）、提高地震時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性；

    （2）、設(shè)計(jì)自由度增大；

    （3）、防止內(nèi)部物品的振動(dòng)移動(dòng)和翻到；

    （4）、防止非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞；

    （5）、抑制振動(dòng)的不適感；

    （6）、可以保證機(jī)械器具的使用功能；

    隔震主要分為：積極隔震（對(duì)動(dòng)力設(shè)備采取隔振措施）、消極隔震（對(duì)建筑結(jié)構(gòu)采取隔震措施）。無論積極隔震還是消極隔震，采取隔震措施就是在基底和結(jié)構(gòu)之間設(shè)置減振器或減振材料。在隔震設(shè)計(jì)時(shí)，要經(jīng)過計(jì)算，進(jìn)行多方案比較選擇最佳方案。不經(jīng)過計(jì)算而直接采取隔震措施，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致隔震效率不高或者不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)處理不好時(shí)，還可能產(chǎn)生共振，不僅無益還會(huì)加大震害。

隔震結(jié)構(gòu)原理模型圖

    從隔震結(jié)構(gòu)原理的模型圖分析得知：

    （1）、彈簧的剛度越大，振子的周期就越短；彈簧的剛度越弱，振子的周期就越長(zhǎng)。當(dāng)彈簧的剛度特別大，則建筑物就不能滾動(dòng)，只有自身的往復(fù)變形運(yùn)動(dòng)，即建筑物的自身振動(dòng)，隔震措施就沒有發(fā)揮出隔震作用；當(dāng)彈簧的剛度特別小時(shí)，建筑物就不能往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即不能成為振子。

    （2）、當(dāng)滾珠的摩擦力特別小時(shí)，建筑物的往復(fù)運(yùn)動(dòng)就不會(huì)停止；當(dāng)滾珠的摩擦力特別大時(shí)，建筑物就會(huì)立刻停止。

    因此，建筑物的運(yùn)動(dòng)特性取決于自振周期和阻尼兩個(gè)因素，而自振周期又取決于建筑物的質(zhì)量和彈簧的剛度?？芍瑢?duì)建筑物采取的隔震措施，其效果取決于隔震器和阻尼器的特性。

4 隔震方案設(shè)計(jì)
    4.1 基礎(chǔ)隔震
在建筑物或構(gòu)筑物的基底設(shè)置隔震裝置。

    4.1.1 隔震器

    （1）、橡膠支座

    它是由多層橡膠和鋼板相互疊加而成，在施加豎向荷載時(shí)，由于橡膠受到鋼板的約束，不會(huì)產(chǎn)生很大的橫向變形，即具有很強(qiáng)的抗壓能力；水平方向有很大的變形能力，在地震作用下，橡膠墊可以隔離水平方向的運(yùn)動(dòng)分量。最初是在1965年用于倫敦的地鐵車站上面的建筑，采用多層橡膠支座防止了地鐵的振動(dòng)傳給上部建筑物。

    （2）、鉛心橡膠墊

    它是對(duì)橡膠支座的一大改進(jìn)。在橡膠支座中心鉆孔，插入一個(gè)鉛芯，利用其塑性變形能力把支座的臨界阻尼從3％增加到10％～15％。因此，在低阻尼要求的情況下，可以不使用阻尼器。

    （3）、柔性樁結(jié)構(gòu)

    它是采用立在套管中的樁來隔震，樁頂鉸接，使樁在水平方向有一定的柔性，套管和樁之間有一定的間隙，使樁可以在套管中變位，將結(jié)構(gòu)與可能發(fā)生有害地震的土層分開。當(dāng)樁頂安置阻尼器時(shí)，可構(gòu)成有效的隔震基礎(chǔ)系統(tǒng)。

    4.1.2 阻尼器

    （1）、油阻尼器

    它是比較理想的阻尼材料。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論可以設(shè)計(jì)各種形式的油阻尼器。所采用的油材料很多，通常油硅油、機(jī)械油、柴油機(jī)油、變壓器油等。在設(shè)置時(shí)，一般不少于四個(gè)，對(duì)稱布置在基礎(chǔ)的四角，避免在體系質(zhì)心的坐標(biāo)軸線上布置阻尼器。

    （2）、摩擦阻尼器

    將幾塊鋼板用高強(qiáng)螺栓連在一起，可做成摩擦阻尼器。通過調(diào)節(jié)高強(qiáng)螺栓的預(yù)應(yīng)力，就可調(diào)節(jié)鋼板間摩擦力的大小。通過對(duì)鋼板表面進(jìn)行處理或加墊特殊摩擦材料，可以改善阻尼器的往復(fù)摩擦性能。

    （3）、彈塑性阻尼器

    低碳鋼具有良好的塑性變形性能，可在超過屈服應(yīng)變幾十倍的塑性應(yīng)變上下往復(fù)變形數(shù)百次而不斷裂。根據(jù)需要，可以將鋼板（棒）彎成各種形狀做成阻尼器。

    4.2 懸掛隔震

    懸掛隔震即將結(jié)構(gòu)的全部或大部分質(zhì)量懸掛起來，使地震動(dòng)傳遞不到主體質(zhì)量上，產(chǎn)生較小的慣性力，從而起到隔震作用。懸掛結(jié)構(gòu)在橋梁、火電廠鍋爐架等方面有大量應(yīng)用。
懸掛結(jié)構(gòu)懸桿受力較大，須采用高強(qiáng)鋼，而高強(qiáng)鋼忍性差，在豎向地震作用時(shí)易拉斷。為減小豎向地震作用，可在吊點(diǎn)設(shè)減震彈簧，并配合使用阻尼器。著名的43層香港匯豐銀行新大樓采用的就是懸掛結(jié)構(gòu)。

5 隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    （1）、隔震層的位置

    設(shè)置在建筑物最小層的基礎(chǔ)隔震和設(shè)置在建筑物中間層的中間層隔震。在實(shí)際工程中，主要根據(jù)建筑物的用途、性能、造價(jià)等因素來進(jìn)行綜合判斷確定合適的隔震層位置。如將隔震構(gòu)件用于較大范圍若干棟中低層住宅的底下部分，其空間可作為設(shè)備用房，停車場(chǎng)和共用管道溝，這樣可有效利用城市空間。

    （2）、隔震層水平剛度的結(jié)構(gòu)方案

    為了提高隔震效果，隔震層的水平剛度應(yīng)十分低，使建筑物的自振周期增大。在實(shí)際中，可以采用大間距、大直徑多層橡膠的結(jié)構(gòu)方案，使得每個(gè)隔震器的受荷面積增大，而總數(shù)減少。

    （3）、多層橡膠層不產(chǎn)生拉力的結(jié)構(gòu)方案

    多層橡膠受拉剪的試驗(yàn)資料比受壓剪的少，應(yīng)保證其受力可靠。因此，多層橡膠與上部分結(jié)構(gòu)不采用螺栓連接而采用鉸接連接，使多層橡膠層不產(chǎn)生拉力。

    （4）、凈空間距

    在遭遇特大地震作用時(shí)，建筑物的變形不能導(dǎo)致碰撞。因此，水平方向上，應(yīng)保證具有上部結(jié)構(gòu)的地震變形的1.5～2.1倍的凈空間距。

    （5）、隔震構(gòu)件的置換

    隔震建筑中，變形和能量吸收都集中在隔震層，因此隔震層構(gòu)件有可以置換的隔震結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。特別是與隔震器獨(dú)立的阻尼器的置換一般較為方便。由于隔震器承受建筑物的重量，不如阻尼器置換容易。一般采用在建筑物或局部設(shè)置千斤頂來置換隔震器或?qū)ζ浼庸獭?/p>

6 隔震結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與造價(jià)
    6.1 隔震結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

    一般來說，隔震結(jié)構(gòu)可以適合各種用途的建筑，并都能獲得較好的隔震效果。出于結(jié)構(gòu)的安全性、房屋內(nèi)部物品的振動(dòng)翻到、防止構(gòu)件二次損壞等因素，更適合用隔震措施的建筑物有：

    住宅（居民住宅、養(yǎng)老院、療養(yǎng)院）、公共建筑（劇院、醫(yī)院、旅館）、防災(zāi)中心建筑（學(xué)校、消防局）、核電設(shè)施（核電站、倉(cāng)庫(kù)）、尖端產(chǎn)業(yè)設(shè)施（研究所、超精密加工廠）、紀(jì)念性建筑物（紀(jì)念建筑、寺廟）等等。

    6.2

隔震結(jié)構(gòu)的造價(jià)

    隔震建筑在振動(dòng)性能和抗震安全性方面提高了建筑物的附加價(jià)值，因此與以往建筑物比較時(shí)，應(yīng)考慮附加價(jià)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在考慮隔震建筑的造價(jià)時(shí)，不僅要考慮初始造價(jià)，如果從包括建筑物在使用階段的維修、重建、內(nèi)部物品的損壞和經(jīng)濟(jì)損失來考慮，隔震建筑具有很好的經(jīng)濟(jì)性。從國(guó)內(nèi)外建筑的實(shí)例來看，全部工程費(fèi)用可能增加，但隔震效果好，上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分的造價(jià)減少很多。如果能有效的利用隔震層作為設(shè)備層或停車場(chǎng)就可以抵制隔震層的費(fèi)用增加。因此，總造價(jià)可能就會(huì)降低。

    山東臨沭的一個(gè)工程，原結(jié)構(gòu)概算總值為220萬元，隔震結(jié)構(gòu)概算總值為226.8萬元。但是，采用隔震面積之后，建筑物的使用面積增加，以致給樓房銷售帶來了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益，售價(jià)比相鄰房屋增加100元/.

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