隔震建筑结构设计优化

近代的基础隔震技术基本上可分为两大类,即弹性隔震和基础滑动隔震?在弹性隔震中,叠层钢板橡胶垫隔震技术应用最多?这类隔震方案主要是在房屋底层与基础顶面之间增设一个侧向刚度很低的隔震层,使在地震过程中整个结构体系的周期变长,变形集中在底层,上部结构基本上是刚性运动?但主要用于隔震水平地震动,对于竖向震动则几乎没有隔离作用;另一方面,这种隔震体系实际上是在地震时对上部结构起着低通滤波的作用,地震中的中高频成分几乎全部可以滤掉,但并不能完全避免结构共振?
1隔震技术
隔震技术不仅在新建工程中获得应用,而且已用于现有建筑的抗震加固改造?隔震装置可安装在结构的防火层或设备层,隔震层可设置在结构的不同部位,如基础?中间层等,也可设置在房屋的顶层,同时起到结构加层和抗震加固的目的?由于传统的加固改造技术对结构震后的性能和不可靠程度缺乏准确地了解,故较难达到强度和延性的合理匹配?采用隔震技术对结构进行加固改造,通过在隔震层设置刚度很小的隔震装置,将地震变形集中到隔震装置上,相对于依靠结构本身的较高强度和较低变形来吸引地震能量而言,隔震结构的周期和阻尼都有很多的提高,故加速度和位移反应明显降低?同时,耗能减震加固改造技术,智能材料加固改造技术,以及吸振减震加固改造技术等开辟了房屋加固改造的新途径?
2隔震建筑的形式
2.1基础隔震
基础隔震是建筑抗震新技术家族中的佼佼者,大量试验研究及多次强震实践表明,基础隔震以其极少的投资换取很大的安全系数?基础滑动隔震效果受地面运动频率特性的影响较小,几乎不会发生共振现象?
所谓基础隔震,就是在建筑物的基础与上部结构之间增设高度很矮,具有足够可靠性的隔震层,控制地面运动向上部结构传递,地震时其能量可反馈到地面或由隔震层吸收,以大大减小结构及构件的地震反应,确保建筑物的整体安全,其内部设备不发生破坏或丧失使用功能,室内人员不遭受伤害也不会有强烈震感?同时,还可防止结构内部的次生灾害?主震后无需避震疏散,即使发生罕遇大震隔震房屋也不会倒塌?
在其中使用的橡胶隔震垫不仅有良好的隔震性能,而且该技术在造价方面也有其优越性?隔震结构与一般结构相比,费用增加的部分包括:隔震构件?隔震层上面的楼面?设备管道的柔性接头及相应的设计费用和施工费用?如果上部结构仍然按传统的抗震设计,其总工程费用略有增加?
采用基础隔震设计上应注意:(1)在建筑物周边,隔震层部分要比基础大一圈,因此场地要宽裕;(2)隔震层的周围设挡土墙,其上部有墙外狭道等,因此要确保地震时不因上部结构的移动而带来其它问题;(3)方便检查和更换隔震装置;(4)为使设备管线适应隔震层的位移和变形,常采用柔性连接或球型接点,但要考虑安放装置及检修的空间;(5)隔震建筑物与其它建筑物之间的联系通道要适应相对变形,确保畅通无阻?
2.2中间层隔震
在基础以上的中间楼层设置隔震层,下部结构同普通建筑物一样直接与地基接触,因此它不存在基础隔震建筑的底部体积和墙体数量问题,但隔震层以下的楼层需要做抗震处理?在市区场地不太宽裕时,可把隔震层设计在地面以上,在空中变形有利于节约用地,同时也能有效减少地基的挖土量?
采用中间层隔震,设计上应注意:(1)为适应隔震层的移动变形,该部分的建筑外墙应设水平缝,要考虑防水?隔音?防火等,也要注意立面的协调美观;(2)解决楼梯?电梯井?机器升降?设备管线等贯穿隔震层的问题,并考虑防火区间的划分;(3)便于检查?更换隔震装置及耐火材料等?
隔震装置布置和选取的一般原则为:(1)隔震层具有适当的水平刚度,在强风作用下,隔震层具有足够的初始刚度,在较大地震作用时,隔震层产生柔性变形,能大大减小水平地震作用;(2)隔震层的水平刚度中心宜与上部结构的质心基本一致;(3)隔震装置具有足够的竖向承载力和水平变形能力,在发生大震时,可安全稳定地支撑建筑物,不会出现失稳破坏,能发挥隔震功能;(4)隔震装置具有良好的自动复位功能,在发生大震后,可基本复位到初始位置,当发生余震时,可继续有效发挥隔震作用;(5)隔震装置具有较大的竖向刚度,在设计竖向荷载作用下,竖向位移被控制在允许值以下;(6)隔震装置的刚度和阻尼具有较好的稳定性,在可能出现的荷载和温度范围以内,其变化较小;(7)具有良好的耐久性,具有良好的抗老化?抗疲劳?抗徐变等性能,在建筑物的使用期内能有效发挥隔震作用?
3隔震结构控制理论
一种新的隔震设计理论—结构控制和控制结构理论?结构控制主要研究结构工程中控制装置的设计理论?方法及其实施,控制结构是根据给定的条件将结构和控制装置作为一个整体进行优化设计?
主动控制由于制约因素多?造价昂贵等原因,应用研究尚处于开创阶段?被动控制特别是其中基础隔震技术的研究,已经逐渐成熟,在工程应用中日渐广泛?所谓基础隔震,就是在结构底部与基础顶面之间设置隔震层,使上部结构与固结于地基中的基础分离,阻隔地震波向上部结构的传播,使得输入结构的能量或反馈入地基土层或被耗能元件吸收,从而大大减少结构的地震反应,保证建筑物的安全,乃至正常使用功能?
4隔震建筑经济性
隔震建筑在振动性能和抗震安全性方面提高了 建筑结构的附加价值?因此,与以往建筑比较时,应考虑附加价值进行综合评价?在考虑隔震建筑的造价时,不仅要考虑其初始造价,还要考虑其使用阶段期间遭受地震损坏的维修?重建?内部物品的损坏和经济损失,在此意义上,隔震建筑具有很好的经济性?