建筑結構設計隔震減震技術探討

摘 要：如今我國社會經濟發展迅速，城市化進程加快，各類建筑工程項目的建設規模越來越大，對建筑結構設計中的隔震減震技術提出了更高的要求。文章闡述了現代建筑結構設計的特點，分析了加強隔震減震技術應用。結合建筑結構設計實際，對彈簧隔振系統、液體阻尼器及諧振質量阻尼器等隔震減震技術的原理及設計應用要點進行了探究，希望能為相關設計單位及技術人員提供參考。

關鍵詞：建筑；結構設計；隔震減震技術文章編號：2095-4085（2024）06-0094-03

0 引言

建筑結構的抗震能力將直接影響其穩定性、安全性和使用壽命。尤其在如今結構越來越復雜、體量越來越大的高層建筑中，隔震減震設計成為結構設計中非常關鍵的環節。為了提高建筑結構的抗震能力，傳統方式通常采用加強材料和增加支撐等方法進行補強，但這些方法在面對較大地震沖擊時可能顯得不夠有效。近年來，隔震減震技術逐漸成為一種在建筑結構設計中備受推崇且有效的技術方法。比如通過在建筑基礎與上部結構之間設置特殊裝置，在發生地震時可實現耦合作用，并將部分或全部沖擊力轉移到這些設備上，從而保護主體結構免受極端振動損害。隨著科學技術和工程設計理念的不斷進步，有必要進一步結合現代建筑特征，對結構設計中的隔震減震技術進行深入探究。

1 建筑結構設計隔震減震技術概述

1.1 震動對建筑的影響

從建筑結構設計的隔震減震角度來講，震動主要是指因地質活動或其他外部因素導致的建筑物出現不同幅度位移的情況。震動的出現會直接對建筑結構及相關構件施加外力影響，同時還可能引發共振問題，引發更為嚴重的后果。在建筑物的抗震處理中，地震作為一種較為激烈的地質運動，對建筑物帶來的威脅不言而喻，其破壞性力量可導致建筑物發生損毀、倒塌甚至造成人員傷亡。地震產生的振動傳輸到建筑結構中，使其受力變化劇烈，容易引發結構失穩或者應力過大而導致結構破壞。因此，在設計和建造過程中采取措施來提高建筑抗震能力顯得尤為重要［1］。

1.2 傳統的隔震減震技術

關于建筑物的隔震減震，一直都是建筑結構設計的關鍵內容，但傳統的加固補強方法主要以增加支撐、加固材料以及改善結構剛度等方法實現。雖然這些方法在一定程度上可以提升建筑物的抗震能力，但仍存在一些局限性。首先，傳統加固補強需要大量材料和人工投入，不僅會導致成本投入增加，并且還可能會打亂原有使用空間布置。其次，加固補強需要進行復雜的施工操作，可能需要暫停使用期間進行工程實施，導致建筑停工和經濟損失。另外，采取單一性加固措施的建筑在應對地震產生的振動方面過度依賴材料或結構強度，不能完全消除結構受力集中的問題。總的來講，傳統方法雖然能夠提高建筑的抗震性能，但在應對較大地震沖擊時可能存在一定程度的不足。因此，尋找一種更為有效且具有經濟可行性的解決方案是非常必要的。

1.3 隔震減震技術

近年來，隔震減震技術作為一種新興而備受關注的抗震措施，主要是通過引入特殊裝置將建筑物與地基或周圍環境分離，在地震發生時實現“隔離”作用。通過科學的結構設計與適當的設施配置，降低由地面運動引起的風險，并將部分或全部沖擊力轉移至設備上從而保護主體結構免遭破壞。經過多年的發展，如今建筑結構設計中用到的隔震減震技術可以分為兩類：其一，被動式隔震系統。這種系統通過設置彈簧、擺動支承或液體阻尼器等裝置，實現建筑與地基之間的隔離。這些裝置能夠吸收和抵消地震產生的振動能量，減小建筑物受力，并且對結構剛性變化影響較小。其二，主動式減震系統。這種系統通過控制器和執行器等電氣或液壓裝置來感知并降低地震引起的振動。主動式減震技術可以實時響應不同的地震波形，并迅速調整阻尼力或位移來降低結構受力。無論是被動式還是主動式隔震減震系統，它們都在很大程度上提高了建筑物的抗震能力，減少了地震災害可能帶來的破壞。近年來，在全球范圍內有越來越多 的建筑項目受到建造高度、外部環境及內部功能性等方面的影響，擁有非常高的隔震減要求。而諸多現代科學技術的發展，新材料和設計方法也為隔 等方面獲得了顯著突破［2］。

2 建筑結構設計中常見隔震減震技術的應用要點

2.1 彈簧隔振系統

2.1.1 原理及特征

彈簧隔振系統是一種當前多種結構中都得到重要應用的減震技術，通過使用彈性材料來減少建筑物受到地震或其他外部力量影響時的振動。其基本原理是利用彈簧的柔軟性和能儲存勢能的特性，將建筑結構與地面分離，從而減輕地震或其他沖擊帶來的損害。具體來講，彈簧隔振系統由以下幾個關鍵部分構成：其一，支撐結構。支撐結構是指將建筑物連接到地面并承載其負荷的主要框架，如混凝土墻、鋼制柱子等。其二，隔震裝置。隔震裝置中，通常涉及到鋼板、橡膠墊、液壓缸等多個剛度調節設備，以及高度可壓縮且具備一定力學強度的彈性元件。通過將這些構件安裝在建筑支撐結構上，當建筑物在受到震動影響時，隔震裝置發生相對運動來減少震動對建筑結構的影響。其三，連結裝置。連結裝置主要用于將隔震裝置與建筑物其他部分連接起來，以確保整個系統的穩定性和安全性。這些連接通常由金屬材料制成，并能夠承受地震或其他外部力量產生的拉壓應力。

彈簧隔振系統利用彈簧的柔軟性將建筑物從地面分離出來，當地震或其他沖擊作用到建筑物上時，彈簧會吸收一部分能量并將其轉化為勢能儲存下來。因此，當震動過去后，勢能被釋放回給建筑物，使其得以恢復原始位置，從而降低了結構所受到的沖擊和振動。

2.1.2 應用要點

（1）整體設計。在基于彈簧隔振系統技術進行建筑結構設計之前，需要仔細評估特定場所的地質和氣象條件，并根據預計的地震活動水平選擇合適的減震方案。同時還需考慮建筑物自身重量及荷載情況、周圍環境特征等相關因素。

（2）材料選取。在彈簧隔振系統中，選擇適當的彈性材料對于系統性能至關重要。常見的材料包括金屬螺旋彈簧行、橡膠墊等。同時在應用中，要求這些材料必須具有足夠的韌性、耐久性和抗疲勞性，在地震或其他外部沖擊下能有效減震。

（3）施工與調試。在建筑施工中安裝彈簧隔振系統時，需要確保每個隔離單元之間的剛度相近，并嚴格按照設計要求進行施工。施工完成后，對整個系統進行調試和測試以確保其正常運行。

（4）維護和監測。彈簧隔振系統在現代建筑中被廣泛應用，但其本身存在功能上的重要性以及在建筑結構中的特殊性，這意味著建筑建成使用后要針對該系統的維護和監測。特別是對于彈簧隔振系統來說，需要定期檢查彈性材料的狀態及連接件是否正常，并根據需要進行更換維修。

（5）經濟評估。在建筑結構設計中，引入彈簧隔振系統會增加建筑結構成本，因此經濟效益分析也是一個重要考慮因素。具體來講，要綜合考慮減震效果、預計損失降低程度以及相關維護費用等因素，來評估其實際應用價值［3］。

2.2 液體阻尼器

2.2.1 原理及特征

液體阻尼器是一種常見的建筑結構減震技術裝置，其主要是使用流動液體來減緩建筑物振動并吸收能量。這種隔震減震裝置的基本原理是利用液體在內部流動時對結構產生摩擦力和阻力，從而轉化和消散地震或其他外部沖擊所帶來的能量。具體而言，液體阻尼器包括以下關鍵組成部分：其一，容積室。容積室是一個密閉的容器，內部充滿了一定量的流動性液體（通常為油）。容積室通過管道連接到待減震結構上，并與外界隔離。其二，斜板裝置。斜板裝置位于容積室內，在其中有一系列平行排列且傾斜的金屬斜板，這些斜板會隨著地震或其他沖擊力產生相對運動，并將此運動傳遞給流體。其三，出口限制裝置。出口限制裝置控制液體從容積室中流出的速度和壓力。通常采用可調節噴嘴、調流器等來實現。

當地震或其他沖擊作用到建筑物上時，液體阻尼器的隔震減震功能發揮過程如下：首先，結構振動及流體移動。建筑物發生振動時，斜板裝置會產生相對運動，并引起液體在容積室內流動。其次，液體阻力產生。液體與斜板之間的摩擦和阻力會消耗能量，并通過熱量散失將該能量轉化為其他形式。然后，能量吸收和減緩。由于出口限制裝置的存在，流動液體在經過時受到一定程度的限制，進而產生了額外的壓力和阻力，并進一步減緩結構振動。基于該原理，液體阻尼器可以顯著降低建筑物受到地震或其他外部沖擊所帶來的破壞及失穩風險。

2.2.2 應用要點

（1）整體設計。根據具體場所和預計振幅，選擇合適類型、規格和數量的液體阻尼器裝置。同時，通過全面且詳細的分析和計算，確定阻尼器的最佳設計參數。

（2）材料選取。在設計中需考慮使用高品質且耐久的材料，以滿足液體阻尼器在長期運行中的可靠性和穩定性要求。

（3）施工與調試。安裝液體阻尼器時，需要確保每個單元之間的連接牢固，并按照設計要求調節液體流動速度和壓力。系統安裝完成后，需進行測試評估以驗證其減震效果。

（4）維護和監測。在投入實際應用之后，要定期檢查液體阻尼器內部是否有泄漏、沉淀物等問題，并根據需要及時處理和更換所需維修部件。

（5）經濟性評估。對于很多大型建筑而言，液體阻尼器的體型非常巨大，意味著相應的成本較高。因此，在設計和應用中需綜合考慮減震效果、預計損失降低程度，以及相關維護費用等因素，科學評估其實際應用價值。

3 諧振質量阻尼器

3.1 原理及特征

在現代建筑結構減震技術中，諧振質量阻尼器作為一種新型的隔震減震裝置，在相關領域中得到了重要應用。該技術主要是結合建筑結構，設計一個彈性和可調節的緩震裝置來達到緩震、減震目的。該技術的基本原理基礎是共振波動定律，通過在建筑物上加裝一個與主體結構相連接的小型副系統，且該副系統具有與導致共振波動頻率相同但反向位移工作的特性。諧振質量阻尼器的主要構成要素如下：其一，質量塊。質量塊是一個獨立懸吊于彈性支撐中心位置，并通過細長桿件與主體結構相連。其通常由金屬、混凝土等材料制成，具有足夠穩定性和耐久度。其二，彈簧系統。彈簧系統位于懸吊處，并將質量塊連接到主體結構上，其既能提供必要支撐剛度以抵消固有共振頻率所引起的振動，又能容納質量塊與主體結構之間的相對運動。阻尼器系統。阻尼器系統通過內部安裝的阻尼裝置消耗和分散能量，以減小共振波動效應。

在建筑物因地質活動或其他因素遭受震動時，其主體結構會產生自然頻率所對應的振蕩，進而導致連接至主體結構的質量塊發生反向位移。在質量塊發生反向位移同時，彈簧系統將被壓縮或拉伸，在這個過程中吸收一部分能量，并提供必要支撐剛度允許質量塊進行相對運動。然后，隨著主結構在地震激勵下繼續振蕩，阻尼器系統通過其內部裝置吸收和分散一定數量的能量，使得基礎結構上共振效應變得降低，并減輕了地震引起的振幅。基于這種原理，諧振質量阻尼器充分發揮了彈簧隔振裝置和阻尼裝置的功能優勢，有效減小建筑結構受到地震或其他外力所產生的沖擊和振動。

3.2 應用要點

（1）整體設計。通過監測和模擬分析計算主體結構的共振頻率，根據其特性來確定相應參數。然后，選擇適當類型、位置和規格的諧振質量阻尼器材料，并對其結構進行科學設計。

（2）材料選取。在諧振質量阻尼器的設計中，需考慮使用高品質且耐久的材料，確保諧振質量阻尼器可以長期保持良好的緩震功能狀態。同時，還需適當配置相應的抗腐蝕工藝，以延長使用壽命。

（3）施工與調試。在安裝諧振質量阻尼器時，需要確保支撐系統、彈簧組件以及連接處均牢固可靠，并按照設計圖紙及技術規范，做好整個系統結構的調試和測試，進而保證其功能可靠性。

（4）日常維護和監測。定期檢查諧振質量阻尼器是否存在損壞、松動等問題，并在必要時進行維護或更換故障部件。

（5）經濟評估。目前，諧振質量阻尼器技術處于快速發展階段，但其相應的成本造價還比較高，在設計和應用中需綜合考慮該技術裝置和建筑整體結構和應用環境的適配度，再結合后期維護管理成本來綜合分析其經濟性。

4 結論

綜上所述，在我國社會經濟快速發展、建筑工程建設規模越來越大的背景下，針對于建筑工程結構的抗震設計備受重視。目前，傳統理念和技術條件下的建筑隔震減震技術措施存在一定的不足，尤其無法適應如今規模化、功能多樣化的高層建筑需求。為此，在建筑結構設計中，應當充分結合建筑整體開發建設要求，在滿足功能性、經濟性的同時，合理采用彈簧緩震、液體阻尼器及諧振質量阻尼器等現代技術，有效提升建筑結構的隔震減震性能，為更好發揮建筑功能、保證建筑安全打下可靠基礎。

參考文獻：

［1］許婷婷.隔震減震控制技術在建筑結構設計中的應用［J］.工程技術研究，2021，6（18）：205-206.

［2］李思慧.建筑結構設計中隔震減震控制技術的應用［J］.新材料·新裝飾，2021，3（16）：89-90.

［3］楊紅霞.建筑結構設計中隔震減震控制技術的應用［J］.百科論壇電子雜志，2021（9）：1247.