減震技術(shù)在建筑工程中的相關(guān)研究探討

文／劉長卿、張師鐸 華商國際工程有限公司 北京 100069

引言：

地震作為一種破壞性巨大的自然災(zāi)害，給建筑結(jié)構(gòu)帶來的挑戰(zhàn)不可輕視。目前我國抗震設(shè)計規(guī)范以“大震不倒，中震可修，小震不壞”為抗震設(shè)計原則，以保護結(jié)構(gòu)不遭到毀壞和保護生命安全為主要目標(biāo)。通常的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的是抗震設(shè)計方法，在地震發(fā)生時我們允許結(jié)構(gòu)構(gòu)件進入彈塑性狀態(tài)，通過延性變形消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物裂而不倒。但這一方法存在一定的局限性，首先對于很多重要的結(jié)構(gòu)物，包括核電站、博物館等在地震作用下進入非彈性階段是不容許的，其次為了抗震的需要，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸及配筋會相應(yīng)增大，造成成本極具提高。并且，在強震下，雖然結(jié)構(gòu)不倒，但已經(jīng)遭受嚴(yán)重破壞，破壞程度難以控制。

建筑減震控制技術(shù)是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間或結(jié)構(gòu)物與基礎(chǔ)之間設(shè)置耗能裝置，利用其耗能特性，減少振動能量對結(jié)構(gòu)的影響[1]。在這一背景下，結(jié)構(gòu)減震技術(shù)的引入成為應(yīng)對地震挑戰(zhàn)的一項重要策略。減震技術(shù)作為一種前瞻性的解決方案，為建筑工程領(lǐng)域注入了新的思路和活力。通過減震技術(shù)的應(yīng)用，建筑結(jié)構(gòu)可以更為靈活地應(yīng)對地震引發(fā)的挑戰(zhàn)，為未來地震災(zāi)害提供更為可靠的保護措施。因此，加強對減震技術(shù)的研究和實踐應(yīng)用，不僅是建筑工程的必然趨勢，也是社會對自身安全的一項必要舉措。

1.建筑減震技術(shù)的原理及類型

減震技術(shù)的原理是將建筑物構(gòu)件之間采用減震器連接，使建筑物的振動轉(zhuǎn)化成能量損失而非破壞[2]。這一領(lǐng)域的關(guān)鍵原理在于通過系統(tǒng)性的方法改變建筑結(jié)構(gòu)對地震力的響應(yīng)，以降低地震帶來的破壞。這一理念在多個層面上展現(xiàn)出對結(jié)構(gòu)工程的創(chuàng)新性思考。

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法是基于承載能力的設(shè)計方法，實質(zhì)上就是“以剛克剛”的設(shè)計方法，這種方法不能考慮結(jié)構(gòu)在彈塑性地震表現(xiàn)，有著明顯的設(shè)計缺點。我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）3.5.3 條中建議在進行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計時宜采用多道抗震防線，國內(nèi)的建筑行業(yè)研究人員還依此提出了根據(jù)“耗能減震”的思想進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以減小結(jié)構(gòu)在地震下承受的地震荷載作用。耗能減震技術(shù)是一種新型的抗震思想，其核心設(shè)計思想是減震控制，即在結(jié)構(gòu)的一些抗震能力弱的部位，設(shè)置特定的耗能構(gòu)件或耗能器，耗能減震裝置會分擔(dān)一部分結(jié)構(gòu)的地震能量，并將這部分能量通過耗能裝置的特性耗散或被轉(zhuǎn)換為其它形式的能量，根據(jù)分擔(dān)地震能量的方法使得原結(jié)構(gòu)承受的地震作用顯著減小，從而減輕了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的破壞程度，以此達到了控制結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。

現(xiàn)階段工程上使用的阻尼減震裝置種類繁多，優(yōu)缺點各異，根據(jù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的部位不同，可以將其分為以下幾類：

（1）BRB 防屈曲約束支撐

BRB 防屈曲約束支撐是一種新型的滯回耗能支撐。其與普通支撐的區(qū)別在于：普通支撐存在受壓屈曲的問題，而屈曲約束支撐在受拉和受壓狀態(tài)下都不會屈曲。這是因為屈曲約束支撐的內(nèi)核單元外圍有鋼套管等約束單元的限制，使核心單元在軸向壓力作用下，發(fā)生全截面屈服之前難以發(fā)生屈曲現(xiàn)象，從而有效的規(guī)避了普通支撐受壓時易屈曲的問題。內(nèi)核單元的滯回曲線飽滿，滯回性能優(yōu)越，能夠耗散大部分地震能量，減小地震作用對主體結(jié)構(gòu)的損傷。

（2）粘滯阻尼器

粘滯阻尼器是根據(jù)流體運動原理，特別是當(dāng)流體通過節(jié)流孔時會產(chǎn)生節(jié)流阻力的特性而制成的。在地震來臨時，阻尼器限度吸收和消耗了地震對建筑結(jié)構(gòu)的沖擊能量，能大大緩解地震對結(jié)構(gòu)造成的沖擊和破壞。

（3）剪切軟鋼阻尼器

剪切型軟鋼金屬阻尼器是將軟鋼作為剪切板，利用其屈服強度低、延性好等優(yōu)點，與主體結(jié)構(gòu)相比，它能夠更早進入屈服，從而可利用軟鋼屈服后的累計塑性變形來達到耗散地震能量的效果。金屬阻尼器具有剛度、承載力、屈服位移等參數(shù)覆蓋范圍全面，性能穩(wěn)定、耐久性好、環(huán)境適應(yīng)性強、維護費用較低等優(yōu)點。

（4）摩擦阻尼器

摩擦阻尼器作為一種耗能裝置，因其耗能能力強，載荷大小、頻率對其性能影響不大，切構(gòu)造簡單，取材容易，造價低廉，因而具有良好的應(yīng)用前景。特別是在控制結(jié)構(gòu)進斷層地震反應(yīng)和中高層結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)方面有獨特優(yōu)勢。摩擦阻尼器對機構(gòu)進行振動控制的機理是：阻尼器在主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服前的預(yù)定載荷下產(chǎn)生滑移或變形，依靠摩擦或阻尼耗散地震能量，同時，由于結(jié)構(gòu)變形后自振周期加長，減小了地震輸入，從而達到降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。

綜上所述，在實際應(yīng)用中要根據(jù)建筑的不同地區(qū)、不同類型選擇不同的減震器，以達到最佳的減震效果[3-7]。

1.1 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的調(diào)整

建筑減震技術(shù)的核心思想在于精心調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，以使建筑在地震來襲時能夠以更為靈敏的方式做出反應(yīng)。這不僅包括提升建筑的柔韌性，通過采用靈活的構(gòu)造和材料，使其能夠更有效地吸收和分散地震產(chǎn)生的能量，而且涉及到對剛度的巧妙管理。通過可調(diào)整的支撐系統(tǒng)等手段，降低建筑的剛度，使其具備更強的變形能力，從而有效減緩地震力在建筑結(jié)構(gòu)中的傳遞速度。

這種巧妙的設(shè)計不僅使建筑在地震中展現(xiàn)出更為靈敏的響應(yīng)，更為重要的是，它為建筑物和其中的居民提供了更為可靠的安全保障，成為現(xiàn)代建筑工程中一項至關(guān)重要的技術(shù)創(chuàng)新。

1.2 柔韌性與剛度的協(xié)調(diào)平衡

在追求柔韌性的提升過程中，建筑工程師必須巧妙地平衡結(jié)構(gòu)的剛度，這種柔韌性與剛度的協(xié)調(diào)成為建筑減震技術(shù)成功的制勝法寶。

這個平衡的藝術(shù)要求工程師在設(shè)計中既要確保結(jié)構(gòu)具備足夠的彈性，以適應(yīng)地震時的變化，同時又要保持足夠的剛性，確保建筑整體的穩(wěn)定性。在這一挑戰(zhàn)性的任務(wù)中，創(chuàng)新的建筑材料如高性能合金、復(fù)合材料等，通過其獨特的物理性質(zhì)，為實現(xiàn)柔剛平衡提供了新的可能性。智能的結(jié)構(gòu)設(shè)計則通過先進的計算和模擬技術(shù)，使工程師能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)構(gòu)在地震中的行為，從而更好地優(yōu)化柔韌性和剛度的分布。

1.3 能量吸收與耗散機制的引入

減震技術(shù)的本質(zhì)在于引入能夠有序吸收和耗散地震能量的阻尼器等裝置。這些裝置通過各自獨特的機制，有針對性地消耗地震釋放的能量，從而有效地減緩結(jié)構(gòu)的振動幅度。這一錯綜復(fù)雜的過程不僅需要減震裝置本身具備高效的能量轉(zhuǎn)換能力，更需要在結(jié)構(gòu)與裝置之間實現(xiàn)緊密的協(xié)同工作，以確保最佳的減震效果。只有在結(jié)構(gòu)與減震裝置之間實現(xiàn)無縫的配合與協(xié)調(diào)，才能最大化地提升建筑物在地震中的抗震性能，使其在面對地震沖擊時能夠安全而可靠地經(jīng)受考驗。

1.4 多樣化類型的靈活應(yīng)用

減震技術(shù)的多樣性為工程領(lǐng)域提供了廣泛的選擇余地，其中包括金屬阻尼器、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和液體阻尼器等多種方案[8]。不同阻尼器各具優(yōu)勢，在不同環(huán)境及領(lǐng)域中發(fā)揮了重要的作用。這樣的技術(shù)多元性賦予了工程師更大的自主權(quán)，使其能夠根據(jù)具體項目需求巧妙選擇最為適宜的減震技術(shù)，從而最大程度地提升建筑物的整體抗震性能。在面對不同地質(zhì)條件和建筑結(jié)構(gòu)特點時，靈活應(yīng)用各類減震技術(shù)成為實現(xiàn)工程抗震目標(biāo)的有效手段。

總體而言，建筑減震技術(shù)的原理與類型的不斷演進，是對地震風(fēng)險管理一系列積極而有益的探索。在不斷的工程實踐中，對這些技術(shù)進行深入理解并結(jié)合創(chuàng)新性思考，將為建筑結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性提供更為堅實的基礎(chǔ)。這也是建筑工程在迎接未來地震挑戰(zhàn)時不斷進步的重要動力。

2.建筑減震技術(shù)的廣泛應(yīng)用及成功實例

深入研究全球范圍內(nèi)減震技術(shù)的應(yīng)用案例時，我們不難發(fā)現(xiàn)，在地震頻發(fā)地區(qū)采用減震技術(shù)的建筑在地震中展現(xiàn)出色的抗震表現(xiàn)，成功地控制了人員和財產(chǎn)的損失。這些令人矚目的成功案例為其他地區(qū)的建筑設(shè)計和工程提供了寶貴的經(jīng)驗和有益的啟示。通過借鑒這些先進的減震實踐，其他地區(qū)可以更有效地規(guī)劃和實施抗震措施，從而提高建筑結(jié)構(gòu)在地震中的穩(wěn)定性，降低災(zāi)害帶來的風(fēng)險。這種經(jīng)驗分享的方式不僅有助于減少災(zāi)害造成的損失，也有助于全球范圍內(nèi)建筑工程領(lǐng)域的共同進步和發(fā)展。

2.1 日本地震防災(zāi)領(lǐng)域的先驅(qū)實踐

日本地處地震活動帶，因此一直處于地震防災(zāi)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。為了有效地抵御地震沖擊，許多日本建筑采用了先進的基礎(chǔ)減震技術(shù)，通過在建筑構(gòu)架內(nèi)引入專門設(shè)計的減震裝置，成功減輕了地震所引發(fā)的動態(tài)荷載。這種先進的實踐經(jīng)驗尤其在1995 年神戶地震之后得到廣泛應(yīng)用，顯著減小了建筑物在地震中的損害程度，為其他地區(qū)的減震技術(shù)應(yīng)用樹立了榜樣[9]。

這一成果不僅在技術(shù)上取得了顯著的成功，也為全球范圍內(nèi)的地震防災(zāi)提供了寶貴的經(jīng)驗教訓(xùn)。日本在減震技術(shù)的推廣中展現(xiàn)出的先進性和成果豐碩性，為其他地震頻發(fā)地區(qū)提供了有益的指導(dǎo)，為全球范圍內(nèi)建筑抗震技術(shù)的不斷創(chuàng)新和提升樹立了標(biāo)桿。

2.2 加利福尼亞地震區(qū)的成功案例

整個加利福尼亞海岸都是地震高發(fā)區(qū)，然而，在采用減震技術(shù)方面，該地區(qū)也積累了豐富的經(jīng)驗。以加州大學(xué)校園內(nèi)的一些建筑為例，它們采用了先進的液體阻尼器，這些阻尼器在地震中能夠以迅速而有效的方式吸收和分散能量，使得建筑結(jié)構(gòu)能夠保持相對穩(wěn)定，從而大大減小了地震帶來的損害。

這種在加利福尼亞地區(qū)采用的減震技術(shù)展現(xiàn)了其靈活性和高效性，為地震頻發(fā)地區(qū)提供了一種有力的抗震解決方案。加利福尼亞的這一實踐經(jīng)驗為其他地區(qū)在地震防災(zāi)方面提供了寶貴的啟示，促使人們對液體阻尼器等先進技術(shù)的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生更大的興趣。這也反映了在地震防范方面的技術(shù)創(chuàng)新和實踐經(jīng)驗分享的全球共同努力。

2.3 中國抗震減災(zāi)工程的實際效果

中國作為地震災(zāi)害頻發(fā)國家之一，近年來在抗震減災(zāi)工程方面取得了顯著的成果[10]。為了增強建筑的抗震性能，一些高層建筑引入了擺鐘隔震技術(shù)。通過在建筑結(jié)構(gòu)中巧妙設(shè)置擺鐘，成功地降低了結(jié)構(gòu)的自振周期，從而有效提升了建筑在地震中的抗震能力。這一創(chuàng)新性的技術(shù)應(yīng)用在實際工程中取得了令人矚目的成果，不僅在減輕地震影響、降低損害方面發(fā)揮了積極作用，同時也為中國地震災(zāi)害管理樹立了成功的榜樣。

在2010 年4 月發(fā)生的玉樹地震，造成大量人員傷亡，而且有近一半的高層建筑在地震中倒塌。根據(jù)此次震害調(diào)研數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在所有倒塌的高層建筑中，幾乎所有建筑都沒有采取減震措施，也沒有安裝減震裝置，極少數(shù)安裝阻尼器的結(jié)構(gòu)在地震中的破壞都相對輕微。因此，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮避免采用不滿足規(guī)范要求的建筑結(jié)構(gòu)形式，并且對新建建筑的抗震設(shè)計，將減震技術(shù)應(yīng)用于新建建筑結(jié)構(gòu)是很有必要的。現(xiàn)如今，在地震頻發(fā)的城市中，每一棟高層建筑的建設(shè)都離不開抗震阻尼器，經(jīng)驗表明阻尼裝置能夠起到很好的減震效果。

這些工程的實際效果表明，減震技術(shù)在中國地震災(zāi)害管理中具有良好的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和經(jīng)驗的積累，中國在抗震減災(zāi)領(lǐng)域的不斷進步將為未來面臨地震威脅的地區(qū)提供有益的啟示和借鑒。這也反映了中國在地震防范領(lǐng)域致力于推動科技進步和工程實踐的決心，為建設(shè)更加安全、抗震能力更強的城市和建筑貢獻著積極力量。

3.建筑減震技術(shù)的研究手段

為了客觀評估建筑減震技術(shù)的效果，需要對采用減震技術(shù)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的建筑在地震中的性能進行全面而深入的量化評估，進而確定最優(yōu)的減震方案。結(jié)合先進的數(shù)值模擬技術(shù)以及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)等手段，將為建筑領(lǐng)域的決策者和設(shè)計者提供全面而可靠的數(shù)據(jù)支持，有助于未來的建筑設(shè)計更加科學(xué)和可持續(xù)[11]。

3.1 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬作為評估建筑減震效果的重要手段之一，將通過采用先進的有限元分析和計算流體力學(xué)模型，以精確模擬建筑結(jié)構(gòu)在地震中的響應(yīng)。通過對比采用減震技術(shù)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的建筑模型，我們可以全面了解減震技術(shù)對結(jié)構(gòu)動力學(xué)行為的影響，為減震效果的評估提供科學(xué)可靠的數(shù)值依據(jù)[12]。

采用有限元分析，我們將深入挖掘建筑結(jié)構(gòu)在地震荷載下的細微變化，包括振動模式、位移分布等關(guān)鍵參數(shù)，以全面了解減震技術(shù)在不同地震條件下的實際效果。同時，計算流體力學(xué)模型將有助于模擬液體阻尼器等特殊減震裝置在地震中的運作機制，為工程實踐提供更為詳盡和精準(zhǔn)的模擬數(shù)據(jù)。

通過這一先進的數(shù)值模擬手段，我們能夠深入研究減震技術(shù)在不同地震場景下的性能表現(xiàn)，為建筑設(shè)計和工程決策提供更加準(zhǔn)確和全面的信息。這種科學(xué)而全面的數(shù)值分析方法有望為減震技術(shù)的優(yōu)化和改進提供深刻的見解，促進抗震技術(shù)的不斷創(chuàng)新[13]。

3.2 實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

除了數(shù)值模擬，還可以結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對現(xiàn)有減震建筑和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)建筑在地震事件中的實際表現(xiàn)進行對比。這些實際監(jiān)測數(shù)據(jù)包括建筑結(jié)構(gòu)的位移、加速度、變形等多個方面的信息。通過將這些實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比驗證，我們能夠更加真實地評估減震技術(shù)的實際效果，從而在實際工程中提供更為可靠的指導(dǎo)。

實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用不僅為研究提供了真實、可信的數(shù)據(jù)支持，也為減震技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用提供了有力的實踐支持。通過對建筑結(jié)構(gòu)在地震中的實際響應(yīng)進行深入分析，我們能夠更全面地了解減震技術(shù)在實際場景中的性能，為設(shè)計者和決策者提供更為全面的信息，以便更好地規(guī)劃和實施抗震措施。

結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究方法不僅增加了研究的可信度，也強調(diào)了理論研究與實際應(yīng)用相結(jié)合的重要性。通過綜合考慮實際觀測和數(shù)值模擬的結(jié)果，我們將更好地理解減震技術(shù)的性能特點，為未來建筑設(shè)計和工程決策提供更為全面和可靠的科學(xué)依據(jù)。

4.結(jié)論與展望

結(jié)構(gòu)減震技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為了建筑技術(shù)中不可或缺的一部分，它有著卓越的減震效果。在未來的研究中，我們應(yīng)致力于深化對不同減震技術(shù)的理論研究，以更全面深刻地理解它們在不同場景下的工作原理和適用性。隨著科技的不斷發(fā)展，新技術(shù)和材料的引入為減震技術(shù)的創(chuàng)新提供了廣闊的空間。借助先進的工程材料、傳感技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析方法，我們可以更精確地設(shè)計和優(yōu)化減震系統(tǒng)，提高其性能和適用范圍。通過持續(xù)的創(chuàng)新，減震技術(shù)將能夠更好地適應(yīng)不斷變化的建筑需求和地震挑戰(zhàn)。

總體而言，減震技術(shù)在我國得到了廣泛的推廣應(yīng)用，大大提升了建筑物抵御地震的能力，保障了公民的生命財產(chǎn)安全。未來對建筑減震技術(shù)的研究應(yīng)當(dāng)致力于設(shè)計理論的深化、實踐經(jīng)驗的夯實、標(biāo)準(zhǔn)制定的完善和技術(shù)創(chuàng)新的驅(qū)動，以推動其更廣泛、更有效地應(yīng)用于建筑工程中，為地震風(fēng)險管理提供更為可靠的解決方案。這樣的努力不僅有助于提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，也將對全球范圍內(nèi)的社會安全和可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。