建筑結構設計的隔震減震研究

沈紅霞 許家村 陳玲玲

山東省紡織建筑設計院有限公司 山東 濟南 250013

引言

我國對于建筑結構中的隔震減震有著一定的研究歷史，最早起源于20世紀70年代，那時已經形成了隔震減震理念。隨著我國建筑行業(yè)飛速發(fā)展，建筑規(guī)模日益擴大化，建筑結構設計中，隔震減震規(guī)劃顯得尤為重要，隔震減震主要是為了預防地震災害的影響，將其延伸影響降至最低。進入21世紀，人們對于安全問題愈加重視，建筑作為人們居住的場所，確保安全性是非常重要的，地震對建筑結構造成的破壞非常大，在建筑結構中采用隔震減震技術，可以將這種不好的影響降至最低，好的隔震減震設計，可以達到一個較為理想的應用效果。我國在隔震減震方面的研究還處于起步階段，很多方面還不成熟，為了進一步推動隔震減震研究，要對隔震減震進行系統(tǒng)化的分析和試驗，測試相關數據指標，使之能夠更好地應用于建筑結構中，達到一個理想的防震效果。

1 建筑結構設計中隔震減震應用的重要性分析

隨著經濟水平的穩(wěn)定增長，城市化建設進程越來越快，建筑工程數量越來越多，建筑主要是為人們提供居住的場所，結構穩(wěn)定性對于人們的生命安全有著重要作用。在自然災害中，地震是破壞性較大的一種災害，對人們的生活會造成多方面的影響，嚴重威脅到人們的生命安全，一旦發(fā)生地震，對于建筑結構會造成極大的損壞，破壞性非常大，人們生活水平的提高，對建筑結構的安全性越來越重視。也正是如此，在建筑結構設計中，隔震減震成為研究重點，建筑結構具有綜合性特點，包含了多個連接節(jié)點，隔震減震設計要兼顧各個方面的影響因素，要從建設結構整體角度出發(fā)，進行有序的規(guī)劃和完善。在眾多自然災害中，地震是地質災害的一種，而且地震造成的破壞性非常大，牽涉范圍比較廣，在地質不穩(wěn)定的板塊更容易出現地震的情況。2008年，四川汶川發(fā)生了特大級地震，地震等級達到了8.0，所造成的破壞非常大，當地的工廠、教學樓、建筑物等全部坍塌，造成的人員傷亡和財產損失是不可估計的，也正是那次事故出現之后，人們更加重視到建筑結構中隔震減震的重要性。地震是無情的，不會給人們留有任何余地，我們能夠做的，就是在建筑結構設計中，加大隔震減震的應用，弱化地震帶給建筑結構的影響，使建筑結構保持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，最大限度上保障人們的生命安全。隔震減震設計是一個綜合性的過程，貫穿了整個建筑結構，通過消能器延伸結構阻尼，擴大結構的延伸指標，提高結構水平的承壓能力，使建筑結構能夠更好地削弱地震反應，減少與地震共頻的情況，提高結構穩(wěn)定性。通過隔震減震在建筑結構設計中的應用，進一步降低了建筑結構與地震的加速反應，總體下降了三分之二，可以規(guī)避結構受風荷載作用發(fā)生偏移，建筑結構保持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)[1]。

2 隔震技術

2.1 隔震技術的發(fā)展

對于建筑結構來說，隔震技術主要起到預防的作用，要想達到一個較為理想的隔震效果，需要構建完善的阻隔體系，采用疊合橡膠的方式，提高建筑結構的隔震指標，在這個過程中，需要使用到橡膠支座、支撐擺動隔震、滾動與滑移隔震等。我國在隔震技術方面花費了不少精力，特別是基于滾球隔震基礎上，延伸了新的隔震方法，就是鋼球限位法，鋼球置于底層區(qū)域，與四周進行固定，從而弱化地震影響。從這幾年發(fā)展情況來看，隔震技術應用愈加成熟化，特別是在建筑結構中的應用非常頻繁，隔震層的設置具有一定分化性，可以設置在建筑結構中不同區(qū)域，比如房屋的頂部或者墻體中，在具體設計過程中，除考慮應用的實際效果，更要不影響建筑結構的美觀性和穩(wěn)定性。有些設計師認為隔震設計的區(qū)域比較多樣化，并非局限在某一板塊，柱頭、柱間都是不錯的選擇，可以通過其空間限制減少位移偏差。隔震技術主要是將結構的自振周期進行延伸，將建筑物的地震反應降到一個最低狀態(tài)，對于隔震技術的應用，要考慮多方面因素影響，必須地形合適，避免因為地形偏差使得隔震效果不理想。隔震設計一般都是從基層或者頂層入手，設計者應該對此有個全面的了解，熟悉建筑內部結構，層層分化，確保隔震應用的有效性。

2.2 地基材料的選擇

在建筑結構設計中，隔震設計最為重要的就是隔震地基材料的選擇，因為地基是建筑與地層連接的基礎，地震的作用就是通過地基延伸到建筑結構中。合理選擇地基材料，可以將地震延伸影響降至最低，建筑物的地基隔震，是建筑結構隔震的基礎部分，要引起足夠的重視，在基層區(qū)域，鋪設海綿墊層，將地震波的延伸進行弱化，使地震波不能很好的作用于建筑結構。在傳統(tǒng)的地基隔震中，主要是在建筑地基上鋪設黏土和砂子，或者在軟黏土和砂土中進行間隔分化，中間間隔區(qū)域放置土工布，達到一個阻隔的作用。隨著科學技術的進步，在地基隔震材料這方面，人們創(chuàng)新了材料性能，使用瀝青阻尼隔震材料，替代了傳統(tǒng)的黏土砂墊層，達到了一個較為理想的隔震效果，弱化了地震波的延伸影響，在建筑結構隔震設計中有著廣泛的應用。

2.3 懸掛隔震

懸掛隔震具有一定的分化特點，主要針對建筑結構中的主體結構，將建筑主體結構進行懸掛處理，這樣當發(fā)生地震的時候，地震的應力傳播到主體結構上，主體結構會隨著應力偏動，因為主體結構呈懸掛狀態(tài)，就會阻斷應力的傳播，使得地震應力傳動受阻，無法進行延伸性傳動，進一步弱化地震應力影響。懸掛隔震有著一定的應用優(yōu)勢，主要是對建筑結構的良好調控，通過控制建筑結構弱化地震傳播應力，但是懸掛隔震也存在一定限制，就是應用成本相對來說比較高，需要投入不小的成本，一般住宅建筑不會采用這種方法。

2.4 基礎隔震

建筑結構設計中，隔震較為多樣化，基礎隔震主要是基于建筑結構基層結構和頂部結構出發(fā)，在基層結構和頂部區(qū)域安裝隔震裝置，隔震裝置可以起到一個阻隔的作用，使地震波不會向上傳遞，同時使地層波在基層的時候就降低，地震波降低的話，對于建筑結構的延伸作用就會弱化。基礎隔震有著一定的應用針對性，在規(guī)則型建筑結構中應用比較廣泛，還有就是多層建筑中會經常使用到，因為對于地震波良好的阻隔性，使得這種基礎隔震方式具有很好的應用效果，可以進一步延長建筑結構的自振周期。

2.5 層間隔震

層間隔震具有一定的連接性，主要針對建筑結構整體框架出發(fā)，以建筑結構作為連接支點，安裝耗能減震裝置，對各個結構的夾層和隔熱層進行優(yōu)化改建，層與層之間分化明確，達到一個較為理想的減震效果。通過結構的不同改造優(yōu)化，出現地震后，抗震技術與隔震技術相互作用，會抵消地震產生的作用力，將應力指標降至最低，吸收和消耗地震力，使影響建筑結構的地震波降到一個最低的范圍，確保建筑結構穩(wěn)定性。比如在7層地層框架建筑結構中，為了提高抗震指標，采用層間隔震的方式，底層橫道設置4道鋼筋混凝土抗震墻，縱向設置5道鋼筋混凝土抗震墻，底部的外墻設置為磚抗震墻為主，底部層間連接中，以夾層橡膠作為支撐點，起到弱化地震波的作用[2]。

3 減震技術

3.1 無黏結鋼支撐體系

在減震技術中，無黏結鋼支撐體系是重要組成成分，主要是將建筑內內核鋼支撐與外包鋼管之間形成穩(wěn)定的連接關系，以無黏結的方式進行加固。建筑體系本身具有一定的結構特點，延伸范圍比較廣，其中包括了鋼筋混凝土、鋼管混凝土等，可以通過無黏結的方式填充其中的空隙，從而使整個平面保持平滑狀態(tài)。然后在支撐節(jié)段中設置外包層，支撐體系的兩端預留一定空間，主要是為了支撐內核鋼，使用螺栓將框架結構進行連接，螺栓的強度指標要夠高，確保能夠承受框架的延伸拉力。使用無黏結鋼支撐體系的時候，注重細節(jié)方面的處理工作，計算好滑移界面材料的使用量，還有界面尺寸指標，內核鋼與外包層之間相互連接，形成緊密的滑移層面，避免內核鋼支撐形變。

3.2 消能減震構件

消能減震構件是減震技術的一種，具有一定的結構性，涉及的構件比較多，通過對各個消能減震構件的有效應用，能夠將地震應力削減到一定程度，達到一個較為理想的減震效果。在抗震減震中，消能構件主要包括消能剪力墻、消能節(jié)點、消能聯結、消能支撐、消能懸吊構件等，主要是通過構件達到消能減震的作用。消能剪力墻可替代一般結構的剪力墻，在抗震及抗風中發(fā)揮剪力墻的水平剛度和減震作用；消能節(jié)點主要是在結構的梁柱節(jié)點或梁節(jié)點處裝設消能裝置，當結構產生側向位移，在節(jié)點處產生角度變化、轉動錯動時，消能裝置發(fā)揮消能減震的作用；消能聯結是在結構的縫隙處或結構構件的聯結處設置消能減震裝置，當結構在縫隙或聯結處產生相對變形的時候，消能裝置發(fā)揮消能減震的作用；消能支撐或懸吊構件主要是對某些線結構（如消防管道、暖氣管道等）設置各種支撐或懸吊消能裝置。當線結構發(fā)生震動時，支撐或懸吊件即發(fā)揮消能減震作用，整個線結構呈連接狀態(tài)，相互連接，將地震應力進行分攤，削減應力指標。

3.3 結構平面與豎向的合理規(guī)劃

建筑結構設計中，針對減震的規(guī)劃，要想達到一個理想的應用效果，要考慮多方面的影響因素，做好相關協調工作。重視建筑結構平面布局的影響，建筑體系具有一定的結構特點，平面設計規(guī)劃過程中，要秉持著簡單化、規(guī)則化的原則，從而建筑物按不同結構方向設計相應的抗側力構件，兩端設計的構件強度指標要保持一致，質心和剛心保持高度重合。豎向設置規(guī)劃過程中，豎向構件需要與平面保持垂直，高度呈均勻變化，避免剛度過大或出現薄弱層的情況。注重細節(jié)方面的處理，在對不規(guī)則平面進行規(guī)劃過程中，要從整體平面角度出發(fā)，避免出現頭重腳輕的情況，使結構應力過于集中，降低建筑結構剛度。

3.4 減震設計

我國對于減震設計還存在一定限制，側重于概念方面，對于阻尼器沒有一個量化標準，一般都是采用反復估算的方式。在阻尼器調控方面，從結構方面入手，以兩個主軸進行延伸，將其布置在結構層位移較大的區(qū)域，框架結構、結構底部安裝阻尼器的數量保持在2～3層，剪力墻結構的層數控制在一定范圍，在框支層靈活設置阻尼器。對于減震設計可以從優(yōu)化結構方面入手，采用延伸性比較好的構件，應用到建筑結構中，可以提高剪應力指標，使結構運行更為穩(wěn)定，弱化地震影響。還有就是提高結構本身的阻尼指標，結構阻尼指標受材料、地基影響出現不同程度的波動，在高層建筑設計過程中，盡量選擇阻尼較大的材料結構，然后將阻尼器應用其中，起到一個弱化地震應力的作用[3]。

4 結束語

隨著我國現代化進程的加快，城市規(guī)模擴大化，建筑工程數量越來越多，人們愈加重視建筑安全。在眾多自然災害中，地震是地質災害的一種，而且地震造成的破壞性非常大，牽涉范圍比較廣，在地質不穩(wěn)定的板塊更容易出現地震的情況。一旦發(fā)生地震，對于建筑結構會造成極大的損壞，嚴重威脅到人們的生命安全，也正是如此，在建筑結構設計中，隔震減震成為研究重點。建筑結構具有綜合性特點，包含了多個連接節(jié)點，隔震減震設計要兼顧各個方面的影響因素，要從建設結構整體角度出發(fā)，進行有序的規(guī)劃和完善。隔震減震設計對于地震災害的防治有著重要作用，可以將地震對建筑結構的破壞性降至最低，保障建筑結構穩(wěn)定和人們的生命安全。我國對于建筑結構中的隔震減震有著一定的研究歷史，也取得了一定的應用效果，為了我國社會穩(wěn)定發(fā)展，要進一步加大對隔震減震的研究，創(chuàng)新相關技術體系，使人們在面對地震的時候有更多緩沖的時間，避免人員傷亡和財產損失。