建筑結(jié)構(gòu)減隔震及結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

申請免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

建筑結(jié)構(gòu)減隔震及結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

一、傳統(tǒng)的抗震方法
　　地震是由于地面的運(yùn)動，使地面上原來處于靜止的建筑物受到動力作用而產(chǎn)生強(qiáng)迫振動，因而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力、變形和位移。經(jīng)過簡化后模型的動力學(xué)分析，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?fàn)幍挠嬎惴椒霸O(shè)計的基本原則。這些在實際應(yīng)用中得到了很不錯的效果。
　　1、概念設(shè)計的一些原則
　　1）總體屈服機(jī)制。例如強(qiáng)柱弱梁。
　　2）剛度與延性均衡。砌體結(jié)構(gòu)中為提高延性設(shè)構(gòu)造柱與圈梁，形成一個較弱的框架。
　　3）強(qiáng)度均勻。結(jié)構(gòu)在平面和立面上的承載力均勻。
　　4）多道抗震防線。
　　5）強(qiáng)節(jié)點設(shè)計。
　　6）避開場地卓越周期區(qū)。
　　2、在此基礎(chǔ)上作結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析，其分析方法主要有：①地震荷載法；②振型分解法；③動力時程分析法。現(xiàn)在還發(fā)展了push-over法、能力譜等方法?？拐鹪O(shè)防目標(biāo)也從單一的、基于生命安全的性態(tài)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展到基于各種性態(tài)，強(qiáng)調(diào)“個性”設(shè)計的設(shè)計理念。
　　3、傳統(tǒng)抗震方法的缺點與不足傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)主要利用主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服后的塑性變形能和滯回耗能來耗散地震能量，這使得這些區(qū)域的耗能性能變得特別重要，而一旦由于某些因素導(dǎo)致這些區(qū)域產(chǎn)生問題，將嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)的抗震性能，產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，由于破壞部位位于主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其修復(fù)是很難進(jìn)行的。
　　由于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)是以防止結(jié)構(gòu)倒塌為目標(biāo)，其抗震性能在很大程度上依賴于結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的延性，以往的許多研究也注重于提高結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的延性方面，卻忽略了對結(jié)構(gòu)損傷程度的控制。
　　4、傳統(tǒng)的抗震方法在提高結(jié)構(gòu)性能方面有較多困難。
　　傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的耗能能力主要依賴于主體結(jié)構(gòu)的延性。既要求主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，又要求延性好，很難實現(xiàn)。
　　1）框架結(jié)構(gòu)許多研究者推薦強(qiáng)柱弱梁體系作為最合適的抗震框架體系。該體系可將地震輸入能量分散在結(jié)構(gòu)的許多部位耗散掉，甚至可以控制塑性鉸出現(xiàn)的順序與部位，延性對于使建筑物在罕遇地震中保存下來固然很重要，但這些預(yù)期的塑性鉸區(qū)在中等程度的地震中也會產(chǎn)生，延性也同時應(yīng)被看作是一種“破壞”。后期修復(fù)費(fèi)用也很高。
　　2）剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有抗側(cè)剛度大，在水平地震作用下的側(cè)移小，其總的水平地震作用也大等特點，常見的震害一般來說為墻面的斜向裂縫或是底部樓層的水平施工縫發(fā)生水平錯動，當(dāng)?shù)撞壳?，剪力墻的抗?cè)作用就很小，且剪力墻的耗能也基本集中與底部塑性鉸區(qū)域，上部墻體對抵御強(qiáng)震無顯著作用。而且剪力墻要承擔(dān)一定的豎向荷載，因此底部的破壞也十分難修復(fù)。
　　3）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)從抗震概念設(shè)計來說，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)具有了多道抗震防線。有框架和墻體組成的抗震結(jié)構(gòu)中，框架的剛度小，承擔(dān)的地震作用力小，而彈性極限變形值和延性卻較小。整個結(jié)構(gòu)在地震作用下，墻體很快超過自身的較小彈性極限變形，出現(xiàn)裂縫，水平承載力下降，此時框架尚未充分發(fā)揮自身的水平抗力；墻體開裂后，框架承擔(dān)的地震力增大，同時由于結(jié)構(gòu)剛度的變化，地震作用效應(yīng)也發(fā)生了變化。但無論是剪力墻還是框架，都是主體結(jié)構(gòu)的一部分，損傷壞后的修復(fù)工作都是比較困難的，而且花費(fèi)也不小。
　　二、減振、隔震和振動控制的現(xiàn)狀鑒于上述傳統(tǒng)抗震方法的缺點與不足，并在全部了解地震引起結(jié)構(gòu)震動的全過程。
　　由震源產(chǎn)生地震動，通過傳播途徑傳遞到結(jié)構(gòu)上，從而引起結(jié)構(gòu)的震動反應(yīng)。通過在不同階段采取震動方法控制措施，就成為不同的積極抗震方法。大致包括以下四點：
　　①震源→消震消震是通過減弱震源震動強(qiáng)度達(dá)到減小結(jié)構(gòu)震動的方法，由于地震源難以確定，且其規(guī)模宏大，目前還沒有有效可行的措施將震源強(qiáng)度減弱到預(yù)定的水平。
　?、趥鞑ネ緩健粽鸶粽鹗峭ㄟ^某種裝置將地震與結(jié)構(gòu)隔開，其作用是減弱和改變地震動時結(jié)構(gòu)作用的強(qiáng)度和方式，以此達(dá)到減少結(jié)構(gòu)震動的目的。隔震方法主要有基底隔震和懸掛隔震兩種。
　?、劢Y(jié)構(gòu)→被動減震被動減震是通過采取一定的措施或附加子結(jié)構(gòu)吸收和消耗地震傳遞給主結(jié)構(gòu)的能量，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)震動的目的。被動減震方法有耗能減震，沖擊減震和吸震減震。
　?、芊磻?yīng)→主動減震主動減震是根據(jù)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，通過地震系統(tǒng)地執(zhí)行機(jī)，主動給結(jié)構(gòu)施加控制力，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)震動的目的。
　　結(jié)構(gòu)隔震、減震方法的研究和應(yīng)用開始于60年代，70年代以來發(fā)展速度很快。這種積極的結(jié)構(gòu)抗震方法與傳統(tǒng)的消極抗震方法相比，有以下優(yōu)點：
　?、倌艽蟠鬁p小結(jié)構(gòu)所收得的地震作用，從而可減低結(jié)構(gòu)造價，提高結(jié)構(gòu)抗?fàn)幍目煽慷?。此外，隔震方法能夠較準(zhǔn)確地控制傳到結(jié)構(gòu)上的最大地震力，從而克服了設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)件時難以準(zhǔn)確確定載荷的困難。
　?、谀艽蟠鬁p小結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形，保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不受地震破壞，從而減少震后維修費(fèi)用，對于典型的現(xiàn)代化建筑，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如玻璃幕墻，飾面，公用設(shè)施等）的造價甚至占整個房屋總造價的80%以上。
　　③隔震、減震裝置即使震后產(chǎn)生較大的永久變形或損壞，其復(fù)位、更換、維修結(jié)構(gòu)構(gòu)件方便、經(jīng)濟(jì)。
　　④用于高技術(shù)精密加工設(shè)備、核工業(yè)設(shè)備等的結(jié)構(gòu)物，只能用隔震、減震的方法滿足嚴(yán)格的抗震要求。
　　（一）、隔震
　　1、基地隔震
　　1）夾層橡膠墊隔震裝置用于隔震裝置的橡膠墊塊，可用天然橡膠，也可用人工合成橡膠（氯丁膠）。為提高墊塊的垂直承載力和豎向剛度，橡膠墊塊一般由橡膠片與薄銅板疊合而成。
　　2）鉛芯橡膠支座這樣就使支座具有足夠的初始剛度，在風(fēng)荷來和制動力等常見載荷作用下保持具有足夠的剛度，以滿足正常使用要求，但強(qiáng)地震發(fā)生時，裝置柔性滑動，體系進(jìn)入消能狀態(tài)。
　　3）滾珠（或滾軸）隔震有自復(fù)位能力的；有加銅拉桿風(fēng)穩(wěn)定裝置；橫向油壓千斤頂位的。另外，還有加消能裝置的，消能裝置有軟消能桿剪，鉛擠壓消能器，油阻尼器，光阻尼器等。
　　4）懸掛基礎(chǔ)隔震
　　5）搖擺支座隔震同原理還有踏步式隔震制作，用于細(xì)高的結(jié)構(gòu)物，如煙囟、橋墩、柜體筒體建筑物等。
　　6）滑動支座隔震上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置相互滑動的滑板。風(fēng)載、制動力或小震時，靜摩擦力使結(jié)構(gòu)固結(jié)于基礎(chǔ)上；大震時；
　　結(jié)構(gòu)水平滑動，減小地震作用，并以其摩擦阻尼消耗地震能源。
　　為控制滑板間的摩擦力，使之滿足隔震要求；在滑板間可以加設(shè)滑層。目前常用的滑層有：涂層滑層（聚氯乙烯）、粉?；瑢樱ㄣU粒、沙粒、滑石、石墨等）。
　　2、懸掛隔震懸掛隔震使將結(jié)構(gòu)的全部或大部分質(zhì)量懸掛起來，是地震動傳遞不到主體質(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。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)。
　　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，在豎向地震作用時易拉斷。為減小豎向地震作用，可在吊點設(shè)減震彈簧，并配合使用阻尼器。
　　3、隔震應(yīng)用的注意事項：
　　1）隔震實際上會使原有結(jié)構(gòu)的固有周期演唱，在下列情況下不宜采用隔震設(shè)計：
　?、倩A(chǔ)土層不穩(wěn)定；
　?、谙虏拷Y(jié)構(gòu)變性大，原有結(jié)構(gòu)的固有周期比較長；
　?、畚挥谲浫鯃龅?，延長周期可能引起共振；
　　④制作中出現(xiàn)負(fù)反力；
　　2）隔震裝置必須具有足夠的初始剛度，這樣能滿足正常使用要求。當(dāng)強(qiáng)震發(fā)生時，裝置柔性消震，體系進(jìn)入消能狀態(tài)。
　　3）隔震裝置能使結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)面上柔性滑動，在地震來時這樣必然會產(chǎn)生很大的位移。為減低結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)，隔震裝置應(yīng)提供較大的阻尼，具有較大的消能能力。
　　4、隔震體系的優(yōu)點：
　　1）明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。從振動臺地震模擬試驗結(jié)果及美國，日本建造的隔整結(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1/3——1/10.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)構(gòu)物或內(nèi)部設(shè)備在強(qiáng)地震沖擊下免遭任何毀壞。
　　2）確保安全。在地面劇烈震動時，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)地震中的絕對安全，也適用于某些重要結(jié)構(gòu)物和重要設(shè)備。
　　3）減低房屋造價。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：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。
　　4）抗震措施簡單明了。抗震涉及的對象從考慮整個結(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，簡單明了。結(jié)構(gòu)物本身與一般非地震區(qū)的做法無疑，設(shè)計施工大大簡化。
　　5）震后修復(fù)方便：地震后，只對隔震裝置進(jìn)行必要的檢查更換。而無需考慮建筑結(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)，這帶來極明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。