結構抗震與結構減震的比較

高飛劍，耿 歐，鄭靖靖

(中國礦業大學力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221008)

為了防御地震災害，減輕地震損失，20世紀初一些國家對地震預報、工程抗震、地震控制等方面進行了一系列研究，其中工程抗震認為是一項切實有效的措施，其目的是尋求最合理的抗震設計，使在地震時能夠保證結構物的安全，這是傳統的結構抗震設計思想。

隔震的概念早在19世紀已有人提過，廣義的隔震方案則更是源淵流長，如北京故宮就設有糯米加石灰的柔性減震支座層;現代的基礎隔震理論和實踐開始于上世紀70年代，基礎隔震方案很多［1］。

J.A.Calantarients于1909年提出的隔震結構(Base－isolated building)方案。這種隔震結構在建筑物結構與基礎之間用滑石(云母)層隔開，地震時建筑物可以滑動，如圖1所示

圖1 隔震建筑物

中村太郎于1927年提出的隔震結構方案。在這種隔震系統中已使用阻尼泵來耗散地震動的能量，并且在該建筑地下層柱的上下端采用鉸接構造，建筑物可以水平自由移動。如圖2所示

圖2 隔震系統

1972年美籍華裔學者姚治平(J.T P Yao)教授撰文第一次明確提出了土木工程結構控制的概念，30年來，國內外學者在結構控制的理淪、方法、試驗和工程應用等方面取得大量的研究成果。結構控制的概念可以簡單表述為:通過對結構附加控制機構或裝置，由控制機構或裝置與結構共同承受振動作用，以調諧和減輕結構的振動反應，使它在外界干擾作用下的各項反應值被控制在允許范圍內。

抗震結構利用結構各構件的承載力和變形能力抵御地震作用，吸收地震能量。立足于“抗”;隔震結構在建筑物上部結構與基礎之間設置滑移層，阻止地震能量向上傳遞，立足于“隔”。

1 結構抗震原理與結構減震原理的比較

傳統的結構抗震［2］基本原理是:通過增強結構本身的抗震性能(強度、剛度、延性)來抵御地震作用的，即由結構本身儲存和消耗地震能量。可以說這是被動消極的抗震對策。由于人們尚不能準確地估計未來地震災害作用的強度和特性，按照傳統抗震設計的結構不具備自我調節的能力。因此，結構很可能不滿足安全性研究而產生嚴重的破壞和倒塌，造成重大的經濟損失和人員傷亡;當今結構減震原理隔震的原理就是通過設置隔震裝置系統形成隔震層，延長結構的周期，適當增加結構的阻尼，使結構的加速度反應大大減少，同時使結構的位移集中于隔震層，上部結構像剛體一樣，自身相對位移很小，結構基本上處于彈性工作狀態。

2 結構抗震與結構減震設計方法的比較

傳統抗震設計方法［2］以概率理論為基礎，提出三水準的設防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。并通過兩個階段設計來實現:第一階段設計采用第一水準烈度的地震動參數，結構處于彈性狀態，能夠滿足承載力和彈性變形的要求;第二階段設計采用第三水準烈度的地震動參數，結構處于彈塑性狀態，要求具有足夠的彈塑性變形能力，但又不能超過變形限值，使建筑物“裂而不倒”。然而，結構物要終止在強震或大風作用下的振動反應(速度、加速度和位移)，必然要進行能量轉換或耗散。傳統抗震結構體系實際上是依靠結構及承重構件的損壞消耗大部分輸入能量，往往導致結構構件嚴重破壞甚至倒塌，這在一定程度上是不合理也是不安全的;結構消能減震設計是指在房屋結構中設置消能裝置，通過其局部變形提供附加阻尼，以消耗輸入上部結構的地震能量，達到預期設防要求。具體說，就是把結構的某些構件(如支撐、剪力墻、連接件等)設計成消能桿件，或在結構的某些部位(層間空間、節點、連接縫等)安裝消能裝置，在小風或小震下，這些消能桿件(或消能裝置)和結構共同工作，結構本身處于彈性狀態并滿足正常使用要求;在大震或大風下，隨著結構側向變形的增大，消能桿件或消能裝置產生較大阻尼，大量消耗輸入結構的地震或風振能量，使結構的動能或者變形能轉化成熱能等形式耗散掉，迅速衰減結構的地震或風振反應，使主體結構避免出現明顯的非彈性狀態(結構仍然處于彈性狀態或者雖然進入彈塑性狀態，但不發生危及生命和喪失使用功能的破壞)。

為了克服傳統抗震設計方法的缺陷，結構振動控制技術(簡稱“結構控制”)逐漸發展起來，并被認為是減輕結構地震和風振反應的有效手段。結構消能減震(又稱“消能減振”)技術就是一種結構控制技術，《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2001)首次以國家標準的形式對房屋消能減震設計這種抗震設防新技術的設計要點做出了規定，標志著消能減震技術在我國已經由科學研究走向了推廣應用階段。

結構消能減震技術的研究來源于對結構在地震發生時的能量轉換的認識，1995年，美國Reinhorn等就Taylor公司生產的粘滯阻尼器做了相似比為1∶3的三層鋼筋混凝土框架實驗。模型見下圖3.每層樓板重120 kN，厚50.8 mm。樓板由76.2 mm×76.2 mm的梁支撐，梁端下為101.6 mm×101.6 mm 的方柱［3］。

圖3 三層鋼筋混凝土框架實驗模型

3 抗震結構與減震結構設防目標的比較

傳統抗震設防目標提出了三水準的設防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。并通過兩個階段設計來實現:第一階段設計采用第一水準烈度的地震動參數，結構處于彈性狀態，能夠滿足承載力和彈性變形的要求;第二階段設計采用第三水準烈度的地震動參數，結構處于彈塑性狀態，要求具有足夠的彈塑性變形能力，但又不能超過變形限值，使建筑物“裂而不倒”。

對于減震結構，新規范［4］對其抗震設防目標只有如下的原則規定:“采用隔震或消能減震設計的建筑，當遭遇到本地區的多遇地震影響、抗震設防烈度地震影響和罕遇地震影響時，其抗震設防目標應高于本規范第1.0.1條的規定。”這里明確了消能減震建筑的抗震設防目標應高于一般依靠自身強度及變形能力(延性)來抗御地震的建筑的抗震設防目標。

根據對消能減震結構減震能力的系列研究、考慮不同工程情況可能的不同要求以及工程實踐經驗并參考傳統建筑的抗震設防目標的要求，為了促進消能減震結構抗震設計技術的進步與在工程中的實施，文獻［5］提出減震結構的抗震設防目標可具體化為如下A、B、C三類。

(1)A目標。抗震設防目標與現行建筑抗震設計規范規定的傳統結構抗震設防目標相同。這個設防目標要求“小震不壞，中震可修，大震不倒”。由于不同原因導致結構在多遇地震下尚不能滿足規范要求，或需采取明顯不合理的過分加強措施才能滿足規范要求，以及既有建筑抗震加固要求設防目標與傳統結構抗震設防目標一致時，結構可設計成這類設防目標的減震結構。

(2)B目標。當遭受相當于本地區抗震設防烈度的地震影響時，一般不受損壞或不需修理可繼續使用;當遭受高于本地區抗震設防烈度預估的罕遇地震影響時，可能損壞，經一般修理或不需修理仍可繼續使用。這個設防目標要求“中震不壞，大震可修”。多數減震結構可按照這個設防目標設計。

(3)C目標。當遭受高于本地區抗震設防烈度預估的罕遇地震影響時，一般不受損壞或不需修理或經簡單修理可繼續使用。這個設防目標要求“大震不壞”。對于消能減震要求更高的減震建筑及在較低設防烈度地震區，可采用這類設防目標。

上述設防目標對于框架結構完全適用，而且更易于實現。研究和工程實踐均表明，設置阻尼器的減震結構在技術上使建筑在地震作用下達到上述抗震設防目標B、C是可能的。這樣的設防目標可使結構在抗御罕遇地震作用時基本上不產生大的損壞，在震后可以使生命線建筑(即地震時不能中斷使用的建筑)以及大批重要建筑繼續有效工作，發揮其應有的作用，從而使整個城市不致在震后癱瘓，與傳統的大震不倒的要求相比，可保留并延續建筑和城市的生命，從而為國家和社會帶來巨大的經濟效益。

4 框架結構抗震與減震的設計要點的比較

4.1 框架結構抗震設計［6］要點

(1)框架結構動力特性分析，主要是結構自振周期的確定;(2)結構地震反應的計算，包括多遇烈度下的地震反應與結構側移計算;(3)結構在地震作用下的內力分析;(4)結構構件的截面抗震設計。

4.2 框架結構減震設計［6］要點

(1)提出框架結構消能減震后的預期變形;(2)確定結構需要消能器提供的附加阻尼;(3)設計消能器的類型、數量和布置;(4)對消能減震結構進行整體的分析，達到滿足變形控制要求;(5)設計消能部件及其與主體結構的連接。

5 隔震橡膠支座簡介

隔震橡膠［6］支座包括天然夾層橡膠支座、鉛芯橡膠支座，高阻尼橡膠支座等。

天然夾層橡膠支座具有較大的豎向剛度，承受建筑物的重量時豎向變形小，而水平剛度較小，且線性性能好。由于天然夾層橡膠支座的阻尼很小，不具備足夠的耗能能力，所以在結構使用中一般同其它阻尼器或耗能設備聯合使用。

鉛芯隔震橡膠支座由新西蘭的ROBINSON及其公司最早研制開發，以后在中國、日本、美國、意大利等國家都得到了較大的發展與應用。

鉛芯橡膠支座［7］不但具有較理想的豎向剛度，而且本身具有消耗地震能量的能力，故鉛芯橡膠支座在結構使用中受到廣泛歡迎。

6 結束語

結構傳統抗震的設計思想主要是依靠結構構件自身的強度和延性來抵抗地震作用及吸收地震能量，這種設計方法是讓結構自身承受較大的地震力。在抗震設防區建筑結構設計遵循:強柱弱梁、強剪弱彎、強結點弱構件、強壓弱拉的基本原則，可以保證結構的整體性，防止結構發生倒塌，但是對組成結構體系的構件來講，其吸收地震能量進而發生構件破壞的結果是必然的。因此，設置了隔震措施的建筑物要比傳統的抗震建筑物更加安全，建筑物中的隔震技術將被廣泛應用。

［1］周錫元，吳育才.工程抗震新發展［M］.清華大學出版社，暨南大學出版社，2002

［2］柳炳康.工程結構抗震設計［M］.武漢理工大學出版社，2005

［3］魏璉，王森，鄭久建.粘滯阻尼減震框架結構抗震設計方法［OL］.水利工程網，http∥www.shuigong.com/papers/jianzhu/20060413/paper19503.shtml

［4］GB50011－2001建筑抗震設計規范［S］

［5］鄭久建.粘滯阻尼減震結構分析方法及設計理論研究［D］.中國建筑科學研究院，2003

［6］王社良.抗震結構設計［M］.武漢理工大學出版社，2004

［7］吳彬，莊軍生，臧曉秋.鉛芯橡膠支座的非線性動態分析力學參數試驗研究［J］.工程力學，2004，21(5):144－149