隔震減震控制技術在建筑結構設計中的應用

許婷婷

廣州華發實業發展有限公司，廣東 廣州 510600

1 建筑結構隔震減震控制技術的發展及基本原理

1.1 隔震減震技術的發展

我國的建筑結構抗震設防準則中要求，當發生小型地震時不會對建筑結構造成影響，當發生中等規模地震時還能夠進行修繕，當發生強烈地震能夠保障建筑不會出現倒塌，以此保障人民生命安全。結合傳統的抗震設計來看，是通過提高結構的強度來實現的，但具體存在以下兩個問題：其一，在高烈度區，構件尺寸較大，對空間和建筑的功能造成影響；其二，利用結構構件的延性和能力抵御地震能量，雖然避免了建筑的倒塌，但損害較為嚴重，如果修復則需要大量的經濟支撐。在這樣的背景下，隔震減震技術被逐漸重視起來，其核心思想在于對結構性能的改變。

隔震控制技術的核心在于化解地震能量，類似于“太極推手”。其最早起源于20世紀中，通過沙礫層實現滑移隔震，在此之后，各國均開展了對隔震控制技術的相關研究，并取得了大量的成果。20世紀70年代，新西蘭學者提出了鉛芯疊層橡膠支座，極大地推動了隔震控制技術的發展。我國最初應用隔震控制技術是1993年建造的安陽市糧油綜合樓。到20世紀末，我國開展的主要研究集中在橡膠支座隔震結構等方面，并逐步形成了較為完善、系統的成套技術，為后續科研工作的開展打下了堅實的基礎。減震控制技術的核心在于對地震能的消耗，使之降低到建筑能夠接受的范圍之內。我國的減震控制技術最早出現在20世紀80年代，并在20世紀末得到了飛速發展。2001年我國《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）中對消能減震技術等相關內容進行了明確的規定，2013年我國制定了《建筑消能減震技術規程》（JGJ 297—2013），自此，我國的減震技術已經取得了廣泛的應用，發揮了至關重要的價值。

1.2 隔震減震技術的基本原理

隨著城市化進程的不斷推進，建筑行業的發展速度越來越快，人們對建筑結構的安全性和穩定性也提出了更高的要求，在這種形勢之下，傳統的抗震設計已經不能滿足人們的需求。隨著抗震技術的研究不斷深入，以隔震減震為中心的控制技術發展起來，目前已經在建筑結構設計中發揮出了至關重要的作用。隔震減震控制技術就是在建筑結構內設置隔震支座、阻尼器或子結構，當發生地震災害時，裝置能夠阻礙地震能向結構的傳遞，通過阻隔的效果降低對建筑結構帶來的影響，從而減輕地震災害對結構造成的損害。

2 建筑結構設計中隔震技術的應用

2.1 地基采用特殊材料

在對建筑地基進行隔震設計時，關鍵是要將隔震層變成一個柔性的底層，當出現地震時，隔震層能夠削弱地震波、降低地震能，避免對建筑結構造成損害。傳統的地基抗震技術主要采用鋪設黏土、沙礫等材料，通過這些材料來實現隔震的目的，但結合實際情況來看，其隔震的效果相對較差。隨著相關領域對建筑地基隔震技術的研究不斷深入，很多新材料不斷投入使用，目前隔震效果比較好的材料為瀝青，將其作為地基隔震層的填充材料，能夠更好地提高地基的隔震性能。

2.2 基礎設立隔震設施

通過在建筑物基礎以及上部建筑之間設立隔震設施，能夠在一定能程度上阻礙地震產生的能量，減少對建筑結構的影響，起到隔震的效果。根據相關研究數據，該隔震方式能夠阻礙約80%的地震能量。但是該方式增加了建筑的自振周期，因此不能應用于高層建筑。目前該隔震方式的主要裝置為橡膠墊，如圖1所示。橡膠墊隔震裝置主要由橡膠和鋼板組成，橡膠以鋼板作為支座，提高了橡膠體的豎向高度，不僅能夠承受較高的荷載，還能夠起到隔震的效果。目前橡膠隔震技術已經比較完善，其優勢在于阻尼比大、隔震效果好，另外還具有彈性復位功能，可靠性比較高。但由于橡膠長時間使用會出現老化現象，使得隔震性能受到一定程度的影響，這也是今后的重點研究內容。

圖1 橡膠墊隔震裝置

2.3 層間隔震措施

層間隔震技術就是指在建筑結構的層間處設立隔震裝置，當發生地震災害時，隔震裝置能夠吸收地震能量，降低地震對建筑結構造成的影響，從而實現隔震效果。層間隔震與基礎隔震相比，雖然設立隔震的裝置基本一致，但層間隔震的減震效果卻相對較低，約為13%。目前層間隔震技術大多應在對舊建筑結構的改造工作中，優勢在于操作較為簡單。

2.4 結構懸掛隔震

結構懸掛隔震指將建筑結構利用鎖鏈懸吊起來，當地震災害發生時，只有極少數的地震能夠傳遞到懸掛結構中，以此保障建筑結構不會受到地震災害的損害。目前結構懸掛隔震被大量的應用在鋼結構中，一般情況下，鋼結構分為兩個組成部分，即主框架結構和子框架結構。運用懸掛隔震技術后，將子框架用鎖鏈懸掛在主框架結構上，在發生地震時，主框架結構受到地震波的影響不斷晃動，而子框架結構幾乎不會受到影響，地震能被有效地削減，以此保障整體結構的穩定性。

3 建筑結構設計中減震技術的應用

減震是指在建筑結構的剪力墻、連接縫等位置安設裝置，用以吸收、消耗地震能量，避免地震能量對建筑結構造成損害，目前常見的減震技術主要為耗能減震和吸震減震。

3.1 耗能減震技術

在傳統的抗震體系中，承重構件就是減震耗能構件，在發生地震災害之后，這些構件受到了一定的損壞而且很難對其進行修復。減震技術則恰恰相反，設置專門的耗能減震裝置，在破壞裝置的過程中實現了對地震能量的消耗，從而保障了建筑結構整體的穩定性。另外，受損的裝置更換較為方便，極大程度上提升了建筑的抗震性能。目前常見的耗能減震裝置分為以下幾種。

（1）減震阻尼器。該裝置通過增加結構阻尼來消耗地震能量，以此避免建筑結構的振動。從裝置機理的角度來看，具體可以分為兩種類型：第一種為速度相關型阻尼器，變形速度與阻尼力成正比；第二種為位移相關型阻尼器，位移大小關系到消耗地震能量的能力。

（2）屈曲約束支撐。普通支撐受壓會出現屈曲現象，當發生地震時滯回性能較差。屈曲約束支撐包括外套筒和硬質填充材料，能夠很好地約束芯材受壓屈曲，極大地提升了結構的抗震性。

（3）防屈曲鋼板剪力墻。該裝置是一種新型產品，其核心為耗能鋼板，無論在小震還是大震中均能發揮出很好的作用。當發生小型地震時，該裝置處于彈性狀態；當發生強烈地震時，裝置處于屈服階段耗能，體現了良好的減震作用。

3.2 吸震減震技術

通過在原結構上設置子結構，當地震發生時對地震的能量進行重新分配，通過轉移振動來減小對建筑結構的影響，這就是吸震減震技術。目前該技術的主要裝置分為以下兩種：第一，調頻液體阻尼器。該裝置主要依靠水箱中的液體實現減震目的，當發生地震災害時，調頻液體阻尼器水箱中的液體受到地震能的影響出現晃動并形成側動力，從而實現減震的作用。第二，調諧質量阻尼器。該裝置主要由彈簧、可調整質量塊、黏滯阻尼器等構成，首先調整裝置的自振頻率，使其與結構的振動頻率保持一致，當出現地震災害時，地震能會集中在調諧質量阻尼器上，從而降低結構振動。例如，臺北101大樓所采用的就是這種減震技術。

4 結束語

隨著建筑行業的發展速度越來越快，人們對建筑結構的安全性提出了更高的要求，積極應用隔震減震控制技術具有重要的意義。當前我國在隔震減震技術方面已經開展了大量的研究與應用，針對不同的建筑結構研發了多種不同的隔震減震技術，極大地提升了建筑結構的穩定性。但與此同時，隔震減震控制技術的不足也不可忽視，如應用規范不健全、推廣困難等，針對這些問題，還需相關部門做好引導工作，進一步優化現有技術，使其向著規范化的方向發展。