簡述現代建筑中幾種常用的抗震減震方法

文/楊思宇 遼寧省實驗中學 遼寧沈陽 110841

1、概述

中國大陸地區多地處在地震頻發地帶，而從記載中的地震情況看來，中國大陸地震災害主要有以下一些特點：（1）高震級地震災害次數高，尤其是在主震發生后發生的余震頻發，且余震的震級往往也很高，這使得災害帶來的損失成疊加效果；（2）次生災害嚴重，這帶來的后果是救援安置問題難以妥善解決。地震發生地區往往是欠發達地區，地形因素復雜，帶來諸如泥石流，滑坡等次生災害。（3）地震災害造成的后果往往與建筑工程結構設計及施工質量有著很大關系，很多地震發生地區建筑設計施工市場混亂，缺乏監管，在自然因素之外，人為地加大了災害的損失程度。因此，中國大陸地區建筑設計中的抗震減震設計是本文著重探索的方向，試圖舉例論述目前中國地區常用的建筑抗震減震方法。

2、抗震減震結構

嚴格意義上的區分，抗震結構和減震結構是兩種不同的概念：抗震結構多是對建筑物本身進行設計，通過對建筑物的結構性的抗震設計，包括提升材料強度，剛度及延展性等性能，從而達到降低地震對建筑物帶來的災害。而減震結構多是在建筑物本體的基礎上，額外裝置的外置設施，在一定程度上減弱地震所釋放出的勢能。而抗震結構一般在傳統的建筑結構中基本上都會在前期設計中有所考慮，而減震結構則作為一種可以附加的裝置，通常配合建筑物的更新迭代而且隨著時代的變化，材料和技術的不斷提升，有著很大的提升空間。

2.1 傳統抗震結構

傳統意義上的結構抗震方式是通過增強建筑物結構本身的抗震性能，其中主要考察的性能包括強度、剛度及延性等，從而抵御地震、風、雪、海嘯等對建筑物造成的損害。大部分自然災害對建筑物所作用的強度和性狀往往不能十分準確的勘定，而通過傳統方式的抗震方法進行設計的建筑物結構很大程度上不具備良好的自我調節能力，而且傳統的抗震方法在做法上往往不具有很強的后期修繕的可能性，因此當具有強大破壞力的地震來臨之際，往往會造成十分嚴重的經濟損失和人員傷亡。

2.1.1 結構特點

根據所選建筑材料采用不同的結構構建建筑，利用力學原理，以充分發揮出材料的性能，常見的結構有：磚混結構，鋼結構，鋼筋混凝土結構，磚木結構等，近現代利用仿生學的相關研究也有如薄殼結構，薄膜結構等

2.1.2 材料

材料的性能直接決定建筑本身各種屬性，巧妙利用材料的硬度，延展性，韌性，密度等屬性，如恰當的運用活性炭可以大幅減輕承重壓力，往往能起到意想不到效果。

2.1.3 環境

不同的環境往往對建筑體本身有較大影響，風力，雨水，沙塵等都是建造時需要考慮的因素，而充分利用好地勢，風向等則可事半功倍。

2.2 消能減震結構

消能減震結構在通常意義上的做法是將傳統形式的建筑結構中某些構件（諸如剪力墻，連接件等部件）以能夠消減勢能的桿件作替代，或者在原有基礎上加裝消能裝置（如圖2.1所示）。在較高級別地震發生的過程中，消能構件或裝置首先被壓縮后進入彈性狀態，產生較大阻尼，以此消耗輸入結構中的地震能量，使減震結構最大程度地避免出現明顯的非彈性狀態，從而有效的迅速衰減結構的地震反應，從而達到保護主體結構及構件在地震中免遭破壞的目的。以減震結構對地震反應的大小為控制標準，判斷其消能結構的減震效果。對消能減震結構的減震性能產生影響的因素有很多，如阻尼器的剛度、阻尼系數，地震波的峰值等。以下介紹幾種常見的消能結構：

2.2.1 粘滯耗能器

粘滯耗能器是通過高粘性的液體（如硅油）中活塞或平板的運動耗能。這種耗能器的耗能能力與環境溫度、振動頻率與振幅有關，材料在適當的溫度、頻率和振幅范圍內具有更強的能量耗散能力。其中筒式流體消能器和粘滯阻尼墻是兩種常見的粘滯耗能器。

（1）筒式流體消能器

筒式流體耗能器主要由主缸、副缸、導桿、活塞、阻尼材料（硅油或液壓油）以及阻尼孔等部分組成。通過設置在其中的活塞桿在柱體中往復移動，從而迫使流體通過氣孔或間隙產生阻尼力的方式，粘滯耗能器不會在建筑物自身的基礎上提供附加的剛度，因而不會改變建筑物結構的自振特性。

（2）粘滯阻尼墻

粘滯阻尼墻通過設置在內部的粘滯材料發生剪切變形產生阻尼力，它主要由襯板，內部和外部之間的外壁板和鋼板粘性液體（聚合物）部分組成，內襯板固定在上層，外壁板固定 在低地板上，沿著壁板上的外部激勵運動，高阻尼材料剪切變形，導致阻尼力，從而實現地震輸入能量消耗的目的，其恢復力特性與筒式流體消能器接近。粘滯阻尼墻設置在墻壁內部，通過充分利用墻壁空間，通過調整內部剪切板阻尼墻墻面尺寸和片數提供所需的阻尼力，有效地提高結構的阻尼，以減少結構的地震反應，且墻體狀外形容易被建筑師接受。粘滯阻尼墻由于其顯見的優點廣泛應用于高層建筑、橋梁、建筑結構抗震改造、工業管道設備抗振、軍工等領域。

2.2.2 粘彈性耗能器

原理：粘彈性耗能器是由異分子共聚物或玻璃質物質等粘彈性 材料和鋼板夾層組合而成。在交變軸向外力作用下，外部約 束鋼板與中間鋼板產生往復相對運動，使粘彈性材料產生剪 切變形來吸收和耗散輸入的能量，是一種有效的被動耗能裝 置，粘彈性耗能器的滯回曲線呈橢圓形。

應用：粘彈性耗能器由 于結構形式簡單，造價合理，且在任何位移下都能有效耗能，故經常用于高聳結構的抗風設計。

2.2.3 軟鋼耗能器

鋼材是應用中最廣泛采用的建筑材料之一。鋼材在不發生斷裂的情況下具有良好的耗能能力。因此金屬屈服型耗消能器中廣泛采用鋼材作為耗能材料，采用低強度高延性鋼材的耗能器也稱為軟 鋼耗能器。其耗能機理是利用鋼材屈服后的塑性變形和滯回耗能來耗散地震能量，從而達到減小結構反應的目的。常見的軟鋼耗能器主要有鋼棒耗能器、軟鋼剪切耗能器、錐形鋼耗能器等。特點：性能穩定，安裝方便，自重輕輕，易于拆卸和更換。

2.2.4 摩擦耗能器

摩擦能量耗散器使用了固體金屬部件的相對滑動摩擦，而金屬介面金屬一般用鋼和銅、黃銅與鋼等。這種耗能器耗能明顯，可提供較大的附加阻尼。后摩擦能量耗散效應間的相對滑動摩擦表面，并與振幅和振動頻率的大小，重復載荷下摩擦可以穩定能源消耗的性能。通過調整摩擦表面的表面壓力，可調整摩擦力，在滑動發生前不能使用，廣泛用于鋼結構和鋼筋混凝土結構

總結：

我國對于地震工程成系統的研究工作始源于20世紀初，經歷數十年的發展，直到1959年，我國第一本參考前蘇聯地震區設計規范CH-8-57而編寫的《地震區建筑規范（草案）》才問世。經過逐年的完善和拓展，逐漸發展成如今較為完善的一系列針對地震區建筑的規范及法律。隨著我國經濟水平不斷上升，大規模的基礎設施建設將推動一系列建筑技術發展，與此同時，為保障國民正常生活生產的建筑技術也將得到發展，其中便包括與地震災害相關聯的建筑物抗震減震方法。因此，本文從各類抗震減震方法為出發點，著重對減震方法進行初步探索，這也在一定程度為將來深入研究起到鋪墊作用。