建筑结构隔震减震技术初探

建筑结构隔震减震技术初探

马文莉

云南省机械研究设计院 云南省机电一体化应用技术重点实验室

摘要：我国是个地震多发国家,尤其是西部地区大部分处于地震带，长期饱受地震灾害的困扰。地震灾害的发生轻则影响建筑物的正常使用功能，严重的已经威胁到人民生命和财产安全，因此在我国研发和应用建筑隔震技术更加具有重要的现实意义。在增强人们抗震意识的前提下,对于建筑结构也要加强隔震减震措施,本文介绍了建筑结构隔震减震的原理,并对建筑结构中隔震减震技术的应用进行了探讨。

关键词：建筑结构 隔震技术 减震技术

地震对建筑物的破坏，多数是由于地面的振动频率与建筑物主要结构构件的自然频率相偶合所致，在现代建筑设计中会考虑到抗震设计,来保证建筑结构安全。建筑整体安全、抗震性能是设计过程中的重中之重，就目前来说隔震减震是减轻地震对建筑结构造成危害的最有效的手段。隔震减震技术正在被广泛用以提升抗震能力,减少强震作用造成的地震反应,增加建筑结构的使用寿命。

一、传统的抗震方法

地震是由于地面的运动，使地面上原来处于静止的建筑物受到动力作用而产生强迫振动，因而在结构中产生内力、变形和位移。经过简化后模型的动力学分析，即一次次的震害分析进行修正、补充，得到一些建筑物在地震作用下的反应机理及破坏形式，提出了一些建筑物抗争的计算方法及设计的基本原则。这些在实际应用中得到了很不错的效果。
1、概念设计的一些原则
1）总体屈服机制。例如强柱弱梁。
2）刚度与延性均衡。砌体结构中为提高延性设构造柱与圈梁，形成一个较弱的框架。
3）强度均匀。结构在平面和立面上的承载力均匀。
4）多道抗震防线。
5）强节点设计。
6）避开场地卓越周期区。
2、传统抗震方法的缺点与不足
传统的方法是采用抗震结构体系，依靠结构的承载力和变性能力来耗散地震能量，抗震结构主要利用主体结构构件屈服后的塑性变形能和滞回耗能来耗散地震能量，这使得这些区域的耗能性能变得特别重要，而一旦由于某些因素导致这些区域产生问题，将影响到结构的抗震性能，产生严重破坏，由于破坏部位基本上位于主要结构构件，其修复是很难进行的。由于传统抗震结构是以防止结构倒塌为目标，其抗震性能在很大程度上依赖于结构（构件）的延性，以往的许多研究也注重于提高结构（构件）的延性方面，却忽略了对结构损伤程度的控制，传统方法“被动”抗震法，不免存在不足之处。

二、建筑结构减震、隔震技术的原理

鉴于传统抗震方法的缺点与不足，在了解地震引起结构震动的全过程后，通过在不同阶段采取震动方法控制措施，就成为不同的积极抗震方法。

1、隔震技术原理

隔震技术分为基础隔震结构与层间隔震结构。“基础隔震”概念的基本原理是在建筑物上部结构与基础之间设置安全可靠的隔震柔性底层，使建筑物与基础隔开。这样，支撑在隔震系统上的整个建筑物在地震时便具有较大的剪切变形能力，使地震的各种破坏力对上部建筑物的直接拉力降至最小，减小上部结构的地震反应（一般可减小至1/5左右），确保建筑物在任何突发强地震中不被破坏和倒塌，是一种立足于“隔”的以柔克刚、以隔减震的积极抗震的方法。基础隔震是在基础和上部结构之间设置水平柔性层，延长结构侧向振动的基本周期，使基础隔震结构基本周期远离地震动卓越周期，则上部结构的地震作用、横向剪力大幅度减小。因此结构在地震反应过程中大变形主要集中在基础隔震层处，而结构本身的相对变形很小，此时可近似的认为上部结构是一个刚体，从而为建筑物能提供良好的安全保障。

层间隔震实现了结构减震模式和隔震模式的结合，主要原理就是通过设置隔震层来实现对地震能量的消耗和吸收，隔震层可以由具有整体复位功能的橡胶隔震支座组成，也可以由橡胶隔震支座和阻尼装置等多部件组成。和基础隔震方式相比，层间隔震模式的综合效益较低。

2、减震技术原理

减震即减小地震作用的意思。主要是通过设置阻尼器或隔震装置等措施，减小结构层与层之间的变形和构件内力的方法。在结构上加设耗能装置是当今抗震设计中一个重要的抗震手段，此方法主要是将耗能装置根据结构的特性均匀地分布于其上，使耗能装置与结构共同参与抗震，以达到増强整体结构抗震能力的目的。与传统的抗震设计理论不同的是，在主体结构上加设能够消耗地震能量的耗能装置这种新型的抗震设计理论是一种主动的抗震设计理论，是对传统抗震设计理论的一次提高。

建筑物的阻尼大小对于消耗地震能量有着重要的作用。减震措施正是利用这一点，通过增加建筑的阻尼来消耗地震来时的地震能量，从而保护了主体结构免受震害或减轻震害。而消能部件如何布置，个数及具体位置都需经分析计算而定。一般来说，消能构件应设在结构的两个主轴方向，这样可使两个方向的阻尼和刚度都有附加。除此以外，还可将消能构件设置在结构变形较大的位置，从而能够均衡整个建筑物的阻尼，更好地耗散地震能量，保证整个建筑物的抗震安全。

3、隔震技术和减震技术的区别

减震技术：在结构某些部位（如支撑、剪力墙、连接缝或连接构件）设置耗能（阻尼）装置（或原件）。在主体进入非弹性状态前装置（或原件）率先进入耗能工作状态，通过该装置产生摩擦、弯曲（或剪切、扭转）弹塑性（或粘弹性）滞回变形来耗散能量或吸收地震输入结构的能量，以减少主体结构的地震反应。
隔震技术：在建筑上部结构与地基之间间采用柔性连接，设置足够安全的隔震系统，由于隔震层的"隔震"、"吸震"作用，地震时上部结构作近似平动，结构反应力仅相当于不隔震情况下的1/4-1/8（强震观测结果可达1/2-1/16），从而"隔离"了地震，通俗地说：使用隔震技术的房屋经历8级地震的震动仅相当于5.5级地震。不仅达到了减轻地震对上部结构造成损坏的目的，建筑装修及室设备也得到了有效保护。

隔震措施在使用上是有时间限制的，一定要对使用隔震措施的建筑在动工以前进行相关的隔震设计。最迟也要在建筑的施工过程中在某些关键部位进行布置。隔震措施使用的部位也是有选择的，一般在建筑物的地基或基础进行隔震设计，或是建筑物的关键部位。与隔震措施不同，减震措施在使用时间上没有限制。它既可以用于新建结构，如对建筑物的基础部分进行特殊处理，对建筑物的局部设置消能减震措施。它也可应用于建筑物建成以后，作为抗震加固的措施，对建筑物进行增加阻尼从而达到减震的效果。从适用部位上说，减震措施的适应范围很广。从建筑物的上部结构到建筑物设隔震夹层，它都是适用的。消能减震技术通过在建筑物的结构上增加消能减震装置，增加结构的阻尼比，来控制预期的结构变形，从而让这些附加装置吸收和消耗地震能量，达到保护主体结构安全，使主体结构在罕遇地震作用下不会发生严重的破坏。

隔震和耗能减震是建筑结构减轻地震灾害的新技术和新途径，与传统抗震体系相比，具有很大的优越性。未来中国建筑隔震减震技术在理论体系、高性能产品开发和精细化施工技术的实施等方面都还有大量工作需要开展，建筑隔震技术必然朝着多样化、实用化和精细化的方向迈上新台阶。

参考文献

[1] 建筑抗震设计规范 GB50011-2010（2016版） 中国建筑工业出版社

[2] 建筑消能减震技术规程JGJ297-2013中国建筑工业出版社

[3] 洪鑫. 建筑结构隔震减震技术研究[J].山西建筑，2011，（11）.

[4] 曹培文.建筑结构隔震减震技术应用初探[J].建材发展导向，2015，（4）.