探析建筑結構設計隔震減震技術

文／管皓 江西省建筑設計研究總院集團有限公司 江西南昌 330046

引言：

地震是一種自然災害，常常伴隨著毀滅性的破壞。歷史上，地震已經造成了數百萬人的傷亡，數十億美元的財產損失。地震不僅對人類社會產生巨大的影響，還揭示了建筑物抗震性能的至關重要性。在地震頻繁的地區，建筑結構的設計和施工必須考慮地震的潛在威脅，以確保建筑物的穩定性和人員安全。傳統的建筑結構設計往往側重于強化材料和結構的剛度，以應對地震引起的水平力和振動。然而，這種方法并不能提供足夠的地震保護，特別是在大震發生時。因此，科學家和工程師一直在尋求創新性的解決方案，以提高建筑物的地震抗性。隔震和減震技術已經成為改進建筑結構性能的有效手段之一。這些技術采用了不同的原理，包括減少地震力傳遞到建筑物的方法，或減小建筑物的振動幅度。通過引入新材料和設計理念，隔震和減震技術可以顯著提高建筑物在地震中的表現，降低維修和修復成本，同時提高建筑物的壽命。本論文將深入研究這些技術的原理、應用和效益，以便更好地了解它們在現代建筑工程中的重要性。

1.隔震技術在建筑結構設計中的應用

1.1 懸掛隔震

懸掛隔震技術是地震工程領域中的一項創新性解決方案，旨在提高建筑結構的地震抗性。通過將建筑物懸掛在隔震支座上，這一技術可以顯著減小地震產生的沖擊和振動，從而保護建筑物及其內部設施免受嚴重破壞。針對懸掛隔震的應用，主要就是在地震發生時，建筑物不再直接與地面接觸，而是通過隔震支座懸掛在地基上。這些支座通常采用彈簧和減震器的組合，能夠吸收地震引起的能量，減小結構的振動幅度。這一創新性設計能夠降低地震力對建筑物的作用，從而減輕結構承受的應力和變形，提高其抗震性能。目前，懸掛隔震技術在建筑結構設計中的應用非常廣泛，可以用于各種類型的建筑物，包括住宅、商業大廈、橋梁和重要的基礎設施。這項技術的靈活性使得建筑師和工程師能夠在各種環境和地理條件下實現地震保護[1]。

1.2 層間隔震

隔震技術在建筑結構設計中扮演著至關重要的角色，它的主要目的是減少地震對建筑物的破壞性影響，提高建筑的抗震性能。層間隔震技術作為隔震技術的一種重要形式，被廣泛應用于我國的建筑工程中，以保障人們的生命安全和減少經濟損失。以北京的中國尊進行分析，該建筑是一座高達528 米的超高層建筑，位于北京商務中心區。為了確保該建筑在地震發生時的安全性，設計師采用了層間隔震技術。首先，該項目主要采用摩擦隔震器作為層間隔震的關鍵元件。這些隔震器由高強度鋼材制成，可以在地震中產生摩擦力，減少地震沖擊傳遞到建筑的上部。這些隔震器的參數包括摩擦系數、摩擦器數量、和隔震層的設置位置。其中，摩擦系數的選擇是關鍵的，必須要求工作人員根據地震設計參數和建筑結構的質量來確定；同時，層間隔震技術的應用也能夠對建筑結構的整體設計產生深遠的影響。在中國尊的案例中，建筑師和工程師必須考慮地震荷載、建筑質量、隔震器的性能等因素。通過層間隔震的方式，不僅可以提高建筑的抗震性能，還能夠降低結構的質量和剛度要求，幫助企業更好的控制成本投入。

1.3 基礎隔震

基礎隔震技術是一項關鍵的抗震措施，用于提高建筑物在地震條件下的安全性。這項技術通過在建筑物和地基之間引入隔震裝置，大大減小地震產生的水平力傳遞到建筑結構的效果。針對基礎隔震的應用原理，可以結合下圖1 進行分析。

圖1 基礎隔震技術的應用原理圖

基礎隔震技術在建筑設計中的應用，首先，地震參數核心。地震參數包括地震加速度和地震譜。其中，地震加速度（a）是地震的核心參數，其主要是描述地震強度的一個指標；而地震譜是描述地震運動的頻率和幅值之間關系的圖表。建筑所在地區的地震活動性將決定地震參數的值。一般來說，設計地震加速度可以通過如下公式來計算：

其中，ad 是設計地震加速度，A8是地震區位系數,ag是地震地表加速度。

除此之外，隔震系統參數是另一個關鍵因素。隔震系統包括隔震裝置的類型、剛度和阻尼。剛度（k）是一個隔震裝置的關鍵參數，其主要描述裝置的彈性。裝置的阻尼（c）則用來控制結構的振動衰減。剛度和阻尼之間的關系可以通過如下公式來計算：

其中，T 是結構的周期，m 是建筑物的質量。

例如，假設某建筑物的質量為5000 噸，設計地震加速度為0.2g（地震地表加速度的2 倍），工作人員可以使用上述公式來計算隔震系統的剛度：

這表示建筑物的振動周期為約70 秒。根據這一數值，可以選擇適當的隔震系統，以降低地震引起的結構振動[2]。

2.減震技術在建筑結構設計中的應用

2.1 合理選擇建筑場地

在建筑結構設計中，選擇合適的建筑場地是至關重要的一步，特別是在考慮減震技術應用時。減震技術旨在減少地震對建筑物的破壞性影響，提高抗震性能。因此，選擇一個適當的場地可以為減震技術的有效應用提供良好的基礎。第一，地質勘察是場地選擇的首要步驟。地質勘察的目標是了解場地的地質特征，包括土壤類型、地下水位、地質構造和地質條件。這些因素直接影響到地震地面運動在場地上的傳播情況。設計師需要詳細了解場地的地質特征，以確定潛在的地震危險性；第二，地震地質條件是另一個重要的考慮因素。地震地質條件是指地下巖層的地震特性，包括地震波的傳播速度、能量傳遞、反射和衰減等。不同地震地質條件對地震響應有顯著影響。設計師務必要清楚了解場地的地震地質條件，以選擇合適的減震技術。例如，對于軟土地基，可能需要采用更復雜的減震系統，而對于堅實的巖石地基，可以選擇更簡單的減震方案；第三，場地響應分析是確定場地地震性能的關鍵步驟。這種分析是通過將地震作用于建筑物的地基來模擬建筑物在地震中的響應。場地響應分析需要考慮地質勘察和地震地質條件的數據，并結合建筑結構的參數，如質量、剛度和阻尼。設計師在進行場地響應分析時，應該使用多種數值模擬方法，如有限元分析和時程分析，來模擬建筑物的地震響應。通過這些分析，工程師可以評估建筑物的地震性能，包括位移、應力和加速度。

2.2 優化設計建筑結構

建筑結構的優化設計在減震技術應用中起著至關重要的作用。通過合理布置結構的平面和豎向構件，可以實現有效的減震效果。一是平面布置方面，應遵循平面簡單化和規則化的原則。建筑結構的平面布置應盡量簡單，避免復雜的幾何形狀。規則化的布置可通過在建筑結構的兩個方向上對稱設置抗側力構件來實現。這有助于保持質心和剛心的重合，從而降低地震作用時的扭矩和位移。通過平面簡單性和規則性規劃設計，有助于均勻分布地震力，提高建筑的整體穩定性；二是豎向構件的合理布置。豎向構件應沿著建筑的高度均勻分布，以保持連續性和一致性，能夠有效防止側向剛性和承載能力的突變引起的變形問題。而均勻分布的豎向構件也可以提高結構的整體穩定性，并有效減小地震引起的振動，由此很好的規避結構在地震中出現局部損傷；三是設計中應避免采用頭重腳輕的形狀。這意味著結構的質量應在豎向上分布均勻，而不應集中在頂部或底部。頭重腳輕的形狀可能導致應力集中和結構的扭曲，從而可以降低結構的整體剛度。為避免這種情況，設計師應確保質量的均勻分布，以提高結構的穩定性和抗震性能。

2.3 結構耗能減震技術

在建筑結構設計領域，結構耗能減震技術是一項關鍵的抗震措施，旨在通過吸收和分散地震能量來減小地震對建筑物的破壞性影響。這種技術的應用需要設計師采用一系列技術措施，以確保結構在地震中能夠穩定地吸收和耗散能量，保護人員的生命安全。

（1）一項關鍵的技術措施是采用耗能材料。耗能材料是指能夠在地震中吸收和耗散能量的特殊構造材料。常見的耗能材料包括粘滯阻尼器、摩擦隔震器和彈性減震裝置。這些材料的特點是具有可控的耗能性能，可以通過設計來滿足特定的抗震要求。例如，粘滯阻尼器利用粘滯材料的特性，將地震引起的動能轉化為熱能，從而減小結構的振動。摩擦隔震器則通過表面間的摩擦產生抗力，降低地震作用下的位移；

（2）結構耗能減震技術需要合理的結構配置。這包括結構的剛度和彈性分布的設計。通常，較柔軟的結構部分用于吸收地震能量，而較剛硬的部分用于提供結構的支持和穩定性。這種配置的目標是確保結構在地震中能夠發揮彈性能力，而不至于立即失穩。這通常需要采用剛性框架和支撐系統，與耗能裝置相結合，以實現結構的整體性能；

（3）結構的監測和控制是另一個重要的技術措施。建筑結構需要實時監測其振動和位移情況，以便在地震發生時及時采取控制措施。這通常涉及到使用傳感器和控制系統，以監測結構的狀態并進行反饋控制。當結構受到地震力的作用時，控制系統可以通過調整耗能裝置的性能來保持結構的穩定性。這有助于減小地震引起的破壞，同時最大程度地維護結構的完整性[3]。

2.4 無粘結鋼支撐體系

無粘結鋼支撐體系的核心原理是將鋼支撐元件與建筑結構的主體部分分離，以減小地震引起的側向位移和加速度傳遞。在實際應用中，無粘結鋼支撐體系需要經過精心的設計和施工，以確保其有效性。首先，在設計階段，工作人員需要考慮結構的減震需求，并確定無粘結鋼支撐的位置和數量。為充分發揮出無粘結鋼支撐體系的應用價值，必須要求設計師綜合材料強度等進行選擇，由此才能夠確保支撐元素在地震中不會失效。在接下來無粘結連接設計時也需要精心考慮，維持支撐元素能夠自由移動，同時保持與主體結構的連接，這通常涉及到使用特殊的連接元件和關節。在后期施工過程中，還應該保證支撐元素的安裝和連接是準確的。通過精細化材料檢查、焊接質量檢驗和連接合適性檢查等措施，以不斷提高整個施工水平。工作人員完成安裝任務后，務必要開展長期定期監測和維護，這有助于確保系統的穩定性和性能。

3.工程案例

在過去的幾十年里，建筑結構設計的隔震減震技術已經在全球范圍內廣泛應用，以提高建筑的抗震性能。接下來將通過分析某一工程案例，探討這些技術的應用，并提供具體參數和數據表格，以更好地理解其效果和益處。

某地區城市大廈位于地震多發區域，是一座高層建筑，設計用途為商業和住宅混合。本案例旨在探討隔震和減震技術在提高建筑結構抗震性能方面的應用。其中，設計師采用基礎隔震技術，具體參數如下：

（1）隔震器類型：城市大廈采用了基礎隔震器，主要是基礎橡膠隔震器。

（2）隔震器剛度：橡膠隔震器的剛度為800kN/mm。

（3）隔震器數量：共有120 個基礎隔震器。

（4）隔震器安裝深度：隔震器安裝在地下10 米深度。

下面是一個關于基礎隔震器性能的數據表格。

表1 基礎隔震器性能數據表

另外，設計師還采用結構減震技術，主要以液壓減震器為主，用于減小建筑結構的搖擺。在規劃期間共布設40 個液壓減震器，分布在建筑結構不同層次。

通過上述隔震抗震技術的應用措施，城市大廈的隔震和減震技術的應用顯著提高了其抗震性能。主要表現如下：一是最大地震位移減小：使用基礎隔震器和結構減震器，城市大廈在一次大地震中的最大位移減小了60%。這意味著建筑在地震中的搖擺幅度明顯減小，降低了對建筑結構和內部設備的損壞風險。二是減震力的發揮：結構減震器的最大減震力達到了200kN，有效地減小了地震引起的結構振動。這有助于維護建筑物的穩定性，同時減少了對租戶和業主的影響。三是建筑物整體穩定性：隔震和減震技術的應用使城市大廈在地震中能夠保持較高的整體穩定性。這意味著建筑可以繼續使用，而無需大規模維修或拆除。四是減小損失：通過減小地震引起的損害，城市大廈在經濟上也受益。維護和修復成本大大降低，同時減少了業主和租戶的財產損失。總之，城市大廈的案例為我們提供了一個典型的示范，充分展示了隔震和減震技術在提高建筑結構抗震性能方面的有效應用。通過基礎隔震器和結構減震器的組合，城市大廈在地震中表現出卓越的穩定性，減小了損失，提高了建筑的可持續性。這個案例強調了隔震減震技術在地震多發地區建筑設計中的重要性，以保護人們的生命和財產[4-11]。

結語：

在本篇論文中，深入探討了建筑結構設計中的隔震和減震技術。這些技術是抗震工程領域的重要創新，為改善建筑結構的抗震性能提供了強大的工具。通過隔震技術，設計師能夠將建筑物與地基之間引入隔震裝置，以降低地震力的傳遞。這有助于減小地震引起的結構振動，提高建筑物的整體穩定性。此外，減震技術通過吸收和分散地震能量，進一步減小了地震對建筑結構的損害。此外，內容還討論了建筑場地的選擇和結構配置對于減震技術的成功應用的重要性。通過合理選擇場地和配置結構，可以最大程度地提高抗震性能。最后，文章強調了減震技術的應用對于減小地震對人們的生命安全和財產損失產生的積極影響。這些技術的不斷發展和改進為人員提供了更可持續和安全的建筑環境。通過深入了解和應用隔震和減震技術，各大行業人士可以更好地準備和應對地震風險，為社會的可持續發展和人們的安全提供更強有力的支持。