關于公共建筑防震減災新技術應用的研究

邢祿昌　張超　唐超　岳方方

【摘 要】在對公共建筑進行結構設計時，應注重抗震設計，運用防震減災新技術，提高結構的抗震性能，進而減輕地震災害影響。本文簡單介紹了目前我國公共建筑中應用的主要抗震設計新方法。

【關鍵詞】公共建筑；防震減災新技術；隔震；耗能減震

0 引言

公共建筑要求將建筑結構設計為“延性結構體系”，其傳統抗震方法是增強結構本身的抗震性能（強度、剛度、延性），利用結構自身的承載力和塑性變形能力來抵御地震作用。當地震作用超過承載力極限時，結構抗震能力的大小將主要取決于其塑性變形能力和在往復地震作用下的滯回耗能能力大小。通過發展延性來消耗輸入到結構內部的能量，會使結構產生過大變形并導致結構損傷或非結構構件的損壞。對于有嚴格的重要公共建筑結構，往往難以滿足變形條件。按傳統抗震方法設計的結構不具備自我調節的能力且人們尚不能準確地估計未來地震災害作用的強度和特性，為此，我國地震工程學者正在研究探索行的結構防震設計途徑，近年來發展出一些積極的抗震設計新方法。

1 公共建筑防震減災新技術應用

1.1 隔震技術應用

隔震技術是采用某種隔震消能裝置，將地震動與結構隔開，以減弱或改變地震動對結構的動力作用，使建筑物在地震作用下只產生很小的振動，以減小地震對結構的破壞影響。

1.1.1 隔震原理

隔震層中設置隔震阻尼消能裝置旨在接觸結構與地面運動的耦聯關系，通過增加結構的柔性與提供附加阻尼來減小輸入到結構中的地震作用。由于隔震層中阻尼器的消能作用具有更高的效率。國內的大量試驗和工程經驗表明：隔震一般可使結構的水平地震加速度反應降低60%左右，從而消除或有效地減輕結構和非結構的地震損壞，提高建筑物及其內部設施和人員的地震安全性，增加震后建筑物繼續使用的功能。

1.1.2 隔震技術方法

目前在基礎隔震中采用的技術方法有橡膠墊隔震、摩擦滑移隔震、滾珠及滾軸隔震、組合隔震技術，其中研究最成熟且在公共建筑中應用最廣泛的是橡膠墊隔震技術。

1）橡膠墊隔震。疊層橡膠墊隔震體系的隔震層由若干個隔震器組成，隔震器包括疊層橡膠墊和阻尼器，常采用普通疊層橡膠墊、鉛芯橡膠墊和高阻尼橡膠墊。橡膠墊隔震支座由薄橡膠片與薄鋼板分層交替疊合，經高溫硫化粘結而成，通過上下連接板與結構相連，薄鋼板可限制橡膠片的橫向變形，但對橡膠片的剪切變形影響很小。疊層橡膠墊支座的豎向剛度很大，并具有較大的豎向承載能力，安全地支承上部結構的所有重量及使用荷載，同時具有可變的水平剛度遠遠小于上部結構的層間水平剛度，地震作用下結構的水平變形集中于隔震層，上部結構在地震中變為“整體平動型”，結構的層間變形很小，即便在罕遇地震作用下也基本處于彈性狀態。

2）摩擦滑移隔震。摩擦滑移隔震技術把建筑物上部結構做成一個整體，在上部結構和建筑物基礎之間設置一個隔離滑移構造層，滑移構造層可用精選的圓形粉粒（如鉛粒、砂粒、滑石、石墨）以及不銹鋼板和聚四氟乙烯等材料，在小震或風載作用時，靜摩擦力使結構固接于基礎上；大震時剪力超過靜摩擦力使建筑物相對與基礎（地面）整體水平滑動，由于其摩擦阻尼耗散地震能量，削弱了地震作用向上部位結構的傳遞，達到隔震的效果，該技術還具有簡單易行、造價低廉等優點，但缺點是不能自動復位，可以裝設輔助裝置協助限位。為了使建筑物滑移后自動復位，目前出現了一種摩擦擺支座。摩擦擺支座類似于一個鉸裝置，上部為活動擺頭，下部為與擺頭相吻合的曲面承臺，擺頭與曲面之間襯有網狀增強纖維（聚四氯乙烯），以利用摩擦阻尼耗散能量，該裝置可利用結構本身重力復位。目前具有風穩定及復位功能的支座還有回彈滑動支座及螺旋彈簧支座。

3）滾珠及滾軸隔震。在上部結構與平板狀基礎之間設置滾珠。滾珠可做成圓形或利用直動軸承，設置于平板或凹版上；也可做成橢圓形，以形成復位力。滾動支座通過滾珠或滾軸的滾動達到隔震效果。設計合理的滾動支座具有良好的穩定性、限位復位功能和顯著的隔震效果，但滾珠隔震需要有輔助裝置協助復位，保證風載下不產生過大水平位移，如：滾球加彈簧復位隔震裝置或滾球帶凹槽板復位隔震裝置。

1.2 消能減震和阻尼減震技術應用

消震和阻尼減震技術是在結構的某些非承重構件裝設消能構件或阻尼器，當輕微地震或陣風脈動時，消能桿件或阻尼器處于彈性狀態，結構物具有一定的側向剛度，以滿足正常使用要求，在強烈地震作用下，隨結構受力和變形增大，消能構件或阻尼器進入非彈性變形狀態，產生較大阻尼，大量消耗輸入結構的地震能量，避免主體結構進入明顯塑性狀態，從而保護主體結構在強震中不發生破壞，不產生過大變形。

1.2.1 耗能減震原理

在公共建筑結構的某些部位（如支撐、剪力墻、節點、連接縫或連接件、樓層空間、相鄰建筑間、主附結構間等）設置耗能（阻尼）裝置（或元件），通過耗能（阻尼）裝置產生摩擦，以及彎曲（或剪切、扭轉）彈塑（或黏彈）性滯回變形耗能來耗散或吸收地震輸入結構中的能量，以減小主體結構地震反應，從而避免結構產生破壞或倒塌，達到減震控震的目的。

1.2.2 消能器與消能部件的應用

1）消能器。消能器根據耗能機制的不同可分為摩擦消能器、金屬屈服消能器、鉛阻尼器、黏彈性阻尼器和黏滯阻尼器等。①摩擦消能器是根據摩擦做功而耗散能量的原理設計的。目前已有多種不同構造的摩擦耗能器，如Pall型摩擦消能器、摩擦筒制震器、限位摩擦消能器、摩擦滑動螺栓節點及摩擦剪切鉸消能器等，它們都具有很好的滯回特性，滯回環呈矩形，耗能能力強，工作性能穩定等。摩擦消能器一般安裝在支撐上形成摩擦耗能支撐。②金屬屈服消能器利用軟鋼類鋼材具有彈塑性滯回性能穩定、耗能能力大、長期可靠并不受環境與溫度影響的特點，人們研究開發了多種耗能裝置，如加勁阻尼（ADAS）裝置、錐形鋼耗能器、圓環（或方框）鋼耗能器、雙環鋼環耗能器、加勁圓環耗能器、低屈服點鋼耗能器、無粘結支撐等。③鉛阻尼器利用鉛擠壓產生塑性變形耗散能量的原理制成的鉛擠壓耗能器具有“庫倫摩擦”的特點，其滯回曲線基本呈矩形。④黏彈性阻尼器由約束鋼板與中間鋼板之間夾有的一層黏彈性材料產生往復剪切滯回變形，以吸收和耗能能量。其材料的性能穩定，可經多次反復加載和卸載，但對于大應變下的重復循環，剛度會產生一定程度的退化。⑤黏滯阻尼器一般由缸體、活塞和黏滯流體組成，活塞上開有小孔，并可以在充有硅油或其他黏性流體的缸內往復運動。當活塞與筒體間產生相對運動時，流體從活塞的小孔內通過，對兩者的相對運動產生阻尼，從而耗散能量。

2）消能部件。消能部件由結構中的支撐、墻體、梁或節點等構件組成。①消能支撐有幾種形式：一種是在支撐桿或節點板上利用摩擦阻尼器或其他彈塑性阻尼器消耗地震能量；另一種是利用偏心支撐結構與梁段的塑性變形來消耗地震能量；還有一種是利用剛接在梁、柱或基礎上的消能隅撐的塑性變形來消耗地震能量。②消能墻即將阻尼器或消能材料用于墻體。填黏性材料消能墻是在墻與框架連接的周邊，填充黏性材料，強烈地震時，強周邊出現非彈性縫并錯動，消耗地震能量。

1.3 被動控制調諧減震技術應用

被動控制調諧減震技術一般由主結構和附加在主結構上的子結構組成，附加的子結構具有質量、剛度和阻尼，可以調整子結構的自振頻率，使其盡量接近主結構的基本頻率或激振頻率，子結構就會產生一個與主結構震動方向相反的慣性力作用在主結構上，使主結構的振動反應衰減并受到控制。這種減震控制不需通過外部能量，只是通過調整結構的頻率特性來實現。子結構可以是固體質量，它在調諧減震過程中，發揮類似阻尼器的作用；也可以是儲存在某種容器中的液體質量，它的調諧減震作用是通過容器中的液體振蕩產生的動壓力和黏性阻尼能來實現。

1.4 主動控制技術

主動控制技術需要利用外部資源，在結構振動控制部位安裝傳感器對輸入地震動和結構反應實現連機實時跟蹤，并根據控制器（計算機系統）分析計算結果并發出信息指令，通過伺服加載裝置（作動器或執行器）對結構施加控制力，實現自動調節，在結構振動過程中瞬時改變結構的動力特征并施加控制力以衰減結構反應，達到保護結構免遭損傷的目的。

2 結語

公共建筑中應用的以隔震、減震、制震技術為特點的結構抗震設計新方法，通過對結構施加控制裝置（系統），由控制裝置與結構共同承受地震作用，即共同儲存和耗散地震能量，以減輕結構的地震反應。應用這些積極應對地震的抗震技術，改變了傳統抗震設計的消極應對性，大幅提高了公共建筑抵抗地震的能力。

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[責任編輯：楊玉潔]