建筑結構隔震減震技術研究

洪鑫

0 引言

地震是最嚴重的自然災害之一，唐山地震、汶川地震、智利地震等一系列大地震產生的震動無論從力度、能量、破壞、災害諸方面來說是最嚴重的，給人們帶來了巨大的生命財產損失。地震中建筑物的大量破壞與倒塌，是造成地震災害的直接原因。所以工程結構抗震設計的目的是減輕結構的地震破壞，避免人員傷亡，減少經濟損失。

傳統的抗震結構體系通過增強結構本身性能來抵御地震作用，由結構本身儲存和消耗能量來滿足結構的抗震設防要求。但人們不能準確地估計結構未來可能遭遇的地震的強度和特性，結構的抗震性能不具備自我調節與自我控制能力，因此在這種不確定性的地震作用下，結構不能滿足安全性的要求，而隔震、耗能減震與其他結構控制技術卻能為結構控制提供有效、經濟、簡單、可靠的抗震方法。它通過在結構上設置控制機構，由控制機構與結構共同控制、抵御地震等動力荷載，使結構的動力反應減小。在地震工程中，隔震減震大大降低了地震的作用，能有效控制地震災害，因此，隔震與減震相結合確實是一種不錯的發展趨勢。

如今許多國家采用的諸多結構抗震裝置系統，有些是以隔震為目的，有些是以減震為目的，也有些是以隔震、減震組合效應為目的。無論采用哪種原理，其目的都是為了減輕和消弱地震能。隨著社會的進步，對結構物提出了比以往更嚴格的抗震安全性和適用性要求，而傳統的結構消極抗震設計方法，越來越難于滿足這些要求。為此，各國地震工程學家一直在尋求新的結構抗震設計途徑，以隔震、減震、制震技術為特點的結構控制設計理論與實踐，便是這種努力的結果。

1 隔震

隔震的原理：隔震是通過某種裝置，將震源與結構隔開，其作用是減弱或改變地震動對結構作用的強度和方式，以此達到減小結構振動的目的。隔震技術的分類：隔震技術的分類方法多種多樣，按固定或絕緣的方法，在地基和上部結構之間進行分類，具體可根據其對象不同分為3類。

1.1 地基隔震

地基隔震分為絕緣和屏蔽兩種：

1)絕緣是希望在地基自身中降低輸入波的方法，從而達到隔震的目的，軟弱地基或像人工地基那樣較軟的地基有降低輸入加速度的性質。高剛性基礎則還可利用地下逸散減震。

2)屏蔽是在建筑物周圍挖深溝或埋入屏蔽板等將卓越長周期的剪切波(S波)隔斷的方法，但這種方法不能屏蔽直下型輸入波。

1.2 基礎隔震

所謂基礎隔震是在上部結構與基礎之間安裝隔震系統，將基礎和上部結構隔離開來，以減小水平地面運動向上部結構的傳遞，從而達到減小上部結構振動的目的。可分為周期延長、能量吸收和絕緣等方法。

1.3 上部結構隔震

上部結構的隔震方法分為能量吸收和附加振動體兩種形式。能量吸收型是在建筑物的任意層設置彈塑性阻尼器、粘性體阻尼器、油阻尼器或摩擦阻尼器等各種阻尼器以吸收地震能量。附加振動體形式則是在建筑物的任意層上加設振動體，構成新的振動體系，將振動由結構物本身向附加振動體轉移。

2 減震

減震的原理：減震是根據結構的地震反應，通過自動控制系統的執行機，主動給結構施加控制力，達到減小結構振動的目的。從控制理論的觀點看，結構減震方法又可分為兩大類：

1)被動控制方法。這種方法無外部能源供給，也稱無源控制技術。包括隔震技術和減震技術(如抗震消能技術等)。

2)主動控制方法。這種方法有外部能源供給，也稱有源控制技術。

目前實際應用的結構抗震方法有隔震、減震，其中以隔震方法應用最廣。這兩種方法的研究和應用開始于20世紀60年代，70年代以來發展很快。這些積極的結構抗震方法與傳統的消極抗震方法相比，有以下優點：

1)能大大減小結構在地震作用下的變形，保證非結構構件不受地震破壞，從而減少震后維修費用，對于典型的現代化建筑，非結構構件(如玻璃幕墻、飾面、公用設施等)的造價甚至占整個房屋總造價的80%以上。

2)能大大減小結構所受的地震作用，從而降低結構造價，提高結構抗震的可靠性。此外，隔震方法能夠較為準確地控制傳到結構上的最大地震力，從而克服了設計結構構件時難以準確確定荷載的困難。

3)隔震、減震裝置即使震后產生較大的永久變形或損壞，其復位、更換或維修也要比更換、維修結構方便、經濟。

4)用于高技術精密加工設備、核工業設備等的結構物，只能用隔震、減震的方法滿足嚴格的抗震要求。

地震實踐、理論研究和實驗驗證證明，采用隔震結合消能減震技術建造的結構在烈度為7度的地震中所受到的地震力，大致相當于非隔震結構在烈度為5.5度的地震中受到的地震力，結構基本在彈性范圍內工作，相應降低了結構的加速度、速度與位移反應，從而減輕或消除了結構構件的損壞，更好地保護了結構。同時，隔震和消能減震設計把非線性、大變形集中到一組構件(隔震支座和阻尼器)上，這樣就可以把設計、試驗和制造的注意力集中到這些構件上。由于結構處于(或近似于)彈性變形狀態，結構分析的方法可以簡化，分析更加可靠。

隔震減震技術的應用使得今后設計的建筑可以在地震時保護結構的框架和其他非結構單元，保護結構內的設施、工業設備、人等的安全，使建筑物在地震后可以繼續使用。隔震技術改變了目前的結構設計思想，可提供更多的設計方案供人們選擇。雖然這些技術尚在發展研究中，但其在工程結構上廣泛的應用前景還是相當可觀的。

結構減震控制的基本思想從提出到現在已有30余年的時間，相對于世界各國一直采用的延性設計方法，結構減震控制可以認為是結構抗震設計方法的一次革命。日本、美國、中國以及我國臺灣地區的眾多學者，在該領域進行了大量的理論研究與工程實踐工作，一度形成了百花齊放、百家爭鳴的局面。其中，日本在減震理論研究、設計方法、產品研發以及實際工程應用等方面總體處于領先位置。結構減震控制的基本原理多種多樣，減震裝置的類型名目繁多，減震控制方法已可應用于絕大多數的結構類型，從建筑到橋梁，從超高層結構到多層結構，從鋼筋混凝土結構到鋼結構。在眾多的減震技術中，研究比較成熟、經得起實踐檢驗的主要是隔震與消能減震技術。隔震技術的減震效果在所有的減震技術中是首屈一指的，但其應用范圍也相對較窄，不太適用于超高層或高寬比較大的建筑，我國大陸最高的隔震建筑也只有19層。目前需要重點研究的內容包括：1)高層建筑的隔震設計方法;2)考慮土—基礎—結構共同作用的隔震結構受力分析; 3)高阻尼橡膠隔震支座、滑移支座的開發等。消能減震技術的減震效果一般不如隔震技術，但其適用范圍非常廣泛，目前需要重點研究的內容包括：1)消能減震結構的實用設計方法;2)各類新型阻尼器的研制和標準化等。

3 結語

隔震與減震技術同傳統抗震體系相比，更加有效、安全、適用、可靠，并且可以降低造價，在突發性的地震中不破壞、不倒塌，既保護建筑結構本身，又保護建筑物內部設備及人員安全，經濟適用，將成為建筑抗震的主體，在工程中的應用有著廣泛的前景。隔震減震技術作為一門新興應用技術，具有十分良好的發展前景。

［1］ GB 50011-2001，建筑抗震設計規范［S］.

［2］ 徐立成，鐘 心，劉曉群，等.建筑結構隔震減震技術的發展與應用［J］.遼寧建材，2008(21)：73-74.

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