談房屋建筑工程的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：地震是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，地球上每年發(fā)生地震的次數(shù)多達(dá)多萬次，雖然很多次的小地震我們都感覺不到，但是能夠?qū)θ藗冊(cè)斐删薮鬄?zāi)難的地震也不在少數(shù)，比如在年發(fā)生的汶川地震和年的玉樹地震，這兩次大的地震災(zāi)難給我國(guó)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。文章對(duì)隔震建筑進(jìn)行了介紹簡(jiǎn)要概括了隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路。

關(guān)鍵詞：隔震結(jié)構(gòu)；隔震設(shè)計(jì)；房屋建筑

1、前言

縱觀世紀(jì)以來的全球歷次震害，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展地震災(zāi)害越來越表現(xiàn)出人員傷亡數(shù)量減少，會(huì)經(jīng)濟(jì)損失呈級(jí)數(shù)上升的特點(diǎn)。因此工程抗震中的結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)受到日益關(guān)注。在強(qiáng)震多發(fā)地區(qū)如美國(guó)、墨西哥、日本、臺(tái)灣等地莊動(dòng)減災(zāi)技術(shù)的工程實(shí)踐和理論研究已持續(xù)了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，很多采用主動(dòng)減災(zāi)技術(shù)的建筑成功地經(jīng)受住了地震的考驗(yàn)，我國(guó)也已將隔震及減震耗能技術(shù)納入設(shè)計(jì)規(guī)范體系在北京、太原、宿遷、汕頭、昆明、麗江、東川等地陸續(xù)建成一批隔震建筑其中包括目前隔震設(shè)計(jì)規(guī)范中尚未涵蓋的高層建筑和大跨度空間結(jié)構(gòu)。在隔震工程建設(shè)方興未艾之際，更有必要對(duì)有關(guān)問題加強(qiáng)交流深入探討。

2、隔震設(shè)計(jì)概述

目前主流的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)對(duì)策仍然是采用延性結(jié)構(gòu)體系，通過增大構(gòu)件截面尺寸、增強(qiáng)配筋，依靠主體結(jié)構(gòu)自身的抗震性能來消耗地震能量，用這種方法來實(shí)現(xiàn)規(guī)范中規(guī)定的在突發(fā)地震時(shí)房屋建設(shè)結(jié)構(gòu)不被破壞，保持穩(wěn)定的建設(shè)防震要求，這是被動(dòng)消極的“硬抗”。這將會(huì)導(dǎo)致此結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩種不利后果：一是結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件截面過大、配筋過多以及材料花費(fèi)過多導(dǎo)致結(jié)構(gòu)成本造價(jià)提高，二是結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面、配筋增大后，整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也就不可同日而語.在震動(dòng)中所吸收的余震也就會(huì)大幅度的提高，這樣也就意味著可以有效減少危險(xiǎn)的發(fā)生，這就說明材料的變形可以有效地?cái)U(kuò)散從而減少強(qiáng)度壓力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在遇到震級(jí)過大的突襲地震時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞，造成嚴(yán)重后果。不同于傳統(tǒng)抗震體系“硬抗”的舊觀念，工程結(jié)構(gòu)隔震減震控制體系采用調(diào)整結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性“以柔克剛”的新手段，地震發(fā)生時(shí)隔震層把上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)隔離開，使能量輸人有所改變，帶有阻尼的隔震層的大變形可以消耗大量能量。如果能事先知道建設(shè)場(chǎng)將來可能發(fā)生的地震的性質(zhì)和大小，則進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的困難就幾乎不存在了。就比如說，上面所提到的韌性抵抗型的建筑結(jié)構(gòu)允許的結(jié)構(gòu)的塑性變形，一但遇到了外力，所發(fā)生的反應(yīng)變化是十分復(fù)雜的，這和壓力的點(diǎn)來源和數(shù)量，以及地震的性質(zhì)都是十分有關(guān)系的。所以說為了保障人民財(cái)產(chǎn)的安全，一定要保障建筑物內(nèi)部地每一個(gè)部分和結(jié)構(gòu)都有著足夠的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

3、房屋建筑工程的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1上部結(jié)構(gòu)模型化

建筑結(jié)構(gòu)存在于三維空間里為了精確描述結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的特性按三維空間來處理結(jié)構(gòu)和動(dòng)力現(xiàn)象能夠達(dá)到最高的分析精度，也能夠直接得到各構(gòu)件的反應(yīng)值，這一點(diǎn)對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)也同樣適用。雖然隔震結(jié)構(gòu)也可以建成三維空間模型，但在反應(yīng)分析時(shí)只需能達(dá)到目標(biāo)精度就己經(jīng)足夠了不必去采用過于復(fù)雜的模型。上部結(jié)構(gòu)為十分堅(jiān)固的彈性設(shè)計(jì)的隔震建筑中，由于地震時(shí)輸入的能量基本被隔震層吸收上部結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)對(duì)隔震層影響很小，所以在研究隔震層時(shí)可以把上部結(jié)構(gòu)看作是剛體。若是研究隔震裝置對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，則還是要同普通結(jié)構(gòu)一樣肥上部結(jié)構(gòu)設(shè)為多質(zhì)點(diǎn)模型。在設(shè)計(jì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)多數(shù)情況下把上部結(jié)構(gòu)設(shè)為多質(zhì)點(diǎn)模型就足夠了。當(dāng)?shù)卣鹗嵌嗑S輸入地震或考慮扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，才需要把上部結(jié)構(gòu)建立成立體的三維空間模型。

3.2隔震層模型化

3.2.1線彈性滯回曲線。彈性曲線是最簡(jiǎn)單的滯回曲線踐性隔震結(jié)構(gòu)隔震效果好沮高階反應(yīng)小膽由于無阻尼參與，隔震層位移較大，一般不宜單獨(dú)采用。普通橡膠墊支座的滯回曲線為線彈性。

3.2.2粘滯型滯回曲線。在線彈性隔震層附以粘滯阻尼器，隔震層滯回曲線為粘滯型滯回曲線。阻尼器布置多滯回曲線越飽滿注吉構(gòu)的高階反應(yīng)變的越顯著。

3.2.3雙線性滯回曲線。在線彈性隔震層附以鉛擠壓阻尼器、滑移摩擦阻尼器或鋼阻尼器，隔震層滯回曲線可簡(jiǎn)化為雙線性滯回曲線。阻尼器的數(shù)量可決定滯回曲線的屈服系數(shù)和非線性系數(shù)。該滯回曲線模型最常用。

3.3下部結(jié)構(gòu)模型化

對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)分析時(shí)，一般不對(duì)隔震層下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型化，固定端多數(shù)設(shè)置在隔震裝置的下端。這是因?yàn)橄虏拷Y(jié)構(gòu)周期比隔震周期短得多幾乎不會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)和隔震層的反應(yīng)帶來影響。

3.4隔展結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)不僅僅是上部結(jié)構(gòu)和隔震層的偏心引起的下部結(jié)構(gòu)的偏心、輸入相位差等輸入到隔震結(jié)構(gòu)的地震性質(zhì)的不同也會(huì)引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。下面是轉(zhuǎn)振動(dòng)發(fā)生的原因。

3.4.1上部結(jié)構(gòu)的偏心。上部結(jié)構(gòu)的偏心是由建筑物重量、荷載的偏差或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度偏差產(chǎn)生的成者是由兩者復(fù)合而產(chǎn)生的。但是，隔震結(jié)構(gòu)中上部結(jié)構(gòu)是按彈性設(shè)計(jì)的，如果隔震層沒有偏心，則扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響就很小。

3.4.2隔展層的偏心。相對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的整體重心隔震支座和阻尼器等隔震裝置整體剛心的偏心會(huì)帶來隔震層的偏心。對(duì)于相同的偏心距和偏心率油隔震平面形狀、隔震裝置的位置、非線性特性引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響程度也不一樣。即使設(shè)計(jì)上不存在偏心在高壓應(yīng)力下特別是第二形狀系數(shù)小的小型夾層橡膠支座的剛度會(huì)降低。另外隔震支座和阻尼器制作上的偏差、上部結(jié)構(gòu)荷載變化等原因都有可能引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

3.4.3下部結(jié)構(gòu)的偏心。下部結(jié)構(gòu)的偏心是由隔震層下部的地下層、或由基礎(chǔ)構(gòu)成的部結(jié)構(gòu)的重量、剛心的偏心而產(chǎn)生的。具體有上部結(jié)構(gòu)平面形狀怪異、或同時(shí)用直接基礎(chǔ)和樁的不同基礎(chǔ)的情況發(fā)生但是由于地下部分為避免影響隔震性的發(fā)揮會(huì)設(shè)計(jì)的十分堅(jiān)固，一般認(rèn)為下部結(jié)構(gòu)的偏心對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響很小。

3.4.4隔震結(jié)構(gòu)的地震輸入。隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)面積相當(dāng)大時(shí)，由于地震動(dòng)平面上的不均勻性多少會(huì)引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的發(fā)生。所謂相位差輸入的地震動(dòng)的不均勻性是由地震波的表面波成分、體波的斜向輸入或周圍地基的不規(guī)則等引起的。若隔震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)下部結(jié)構(gòu)比包括隔震裝置在內(nèi)的上部結(jié)構(gòu)和地基在水平面內(nèi)的剛度大，那么相位差輸入的變化部分會(huì)引起基礎(chǔ)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)從而導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輸入到隔震結(jié)構(gòu)。

4、結(jié)束語

地震災(zāi)害是不可避免的自然災(zāi)害，人們能做的就是將地震帶來的損失降到最低。我國(guó)在隔震技術(shù)上的研究己經(jīng)取得了很大的成果，形成了一套比較成熟、完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，并且也己經(jīng)應(yīng)用推廣到了房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中去，可以在突發(fā)的、強(qiáng)度大的地震中保護(hù)房屋，減少地震對(duì)房屋的破壞，也保護(hù)了屋內(nèi)的其它事物以及人員的人身安全，未來我國(guó)會(huì)將研究重點(diǎn)放在豎向地震的隔震技術(shù)研究方向上去，然后大量的推廣應(yīng)用到房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，讓以后巨大的地震災(zāi)害來臨時(shí)隔震技術(shù)可以起到很好的保護(hù)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]占三萍.疊層橡膠支座隔震建筑工程結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J].四川建材，2015，（03）：33-35.

[2]鐘科舉.地鐵上蓋高層建筑層間隔震方案對(duì)比研究[D].廣州大學(xué)，2015.

[3]劉陽.高層隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)及損傷評(píng)估研究[D].上海大學(xué)，2014.

[4]衛(wèi)杰斌.高層裝配式隔震結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].廣州大學(xué)，2012.