浅谈阻震技术在建筑构造中的运用

浅谈阻震技术在建筑构造中的运用



理论研究和强震检验都表明，这种方法可以大大地减少地震时上部建筑物的加速度和层间变形，从而可以大大减少建筑物的内部破坏。分析数据表明，隔震后各层最大层间位移和最大加速度相对于未隔震时有50%～75%的降低，相当于降低地震烈度约1～2度。隔震层解除了结构与地面的直接耦连关系，增加体系的柔度，降低上部结构所受的地震作用，耗散能量，从而降低对结构变形和延性的要求。

隔震技术的分类
隔震技术的发展和应用是现代科技进步，特别是地震工程研究成果促成的特定场址地震反应谱分析技术的发展，使人们可以相当准确地提出用于结构动力分析的地震动参数。用计算机进行结构动力反应分析的技术，使设计人员可以对所设计的结构进行各种模拟分析，从而获得结构的和隔震层的动力反应，正确选择各项设计参数。目前，结构的隔震方法可分成三大类，即地基隔震、建筑物基础隔震和上部结构隔震。
1地基隔震方法地基隔震可分为绝缘和屏蔽。绝缘是利用软弱地基或像人工地基那样较软的地基有降低输入加速度的性质，在地基自身中降低输入波的方法，但设计时首先必须保证地基对建筑物的支承强度和基础沉降量不超过允许值。屏蔽是在建筑物周围挖深沟或埋入屏蔽板等将卓越长周期的剪切波(S波)隔断的方法。这两种方法都是以地基为对象，用以减少地震波输入，实际工程设计中应用较少。FrandLloydWright于1921年主持设计建造的日本东京帝国饭店就是利用此种方法，该工程的建设场地地表土层厚约25m，有良好的承载力，在该层的下面是一层软弱淤泥层，Wright使用了与当时的设计思想完全不同的方法，把软弱层用作地基下的软垫，以消除东京地区可怕的地震动作用，通过设计特殊的短桩基础，把紧密排列的短桩穿透持力层到达软弱淤泥层的表面，这样，建在短桩基础上的帝国饭店就象战舰浮在海洋上一样浮在软弱淤泥层上。这个建筑的隔震设计是十分成功的，在1923年关东大地震中，该饭店显示了良好的隔震性能，在其它建筑普遍受到严重破坏时，该建筑保持完好。由于目前房屋建筑向多高层发展，地基隔震技术的推广应用受到了很大的局限。
2建筑物基础的隔震方法基础隔震是在上部结构与基础之间设置某种隔震消能装置，以减小地震能量向上部结构传输，从而达到减小上部结构振动的目的。隔震装置由支承和减震阻尼器两部分组成，前者稳定地支承建筑物的自重，后者在地震时抑制较大的变形，地震结束时则起到迅速中止晃动的作用。有时，隔震装置是兼有支承和减震阻尼两种作用的特殊支座。自从南斯拉夫于1969年采用纯天然橡胶隔震支座所建成的现代最早的隔震建筑贝斯特洛奇小学及1981年世界上首座铅芯橡胶垫作为基础隔震装置的新西兰WillianClayton政府办公大楼以来，迄今为止，伴随着材料技术的发展，以性能可靠的橡胶隔震支座为代表的隔震元件的诞生，隔震技术越来越多地应用到建筑物和桥梁上。在1994年洛杉矶北岭地震和1995年阪神地震中，采用橡胶支座的隔震建筑表现了令人惊叹的隔震效果。从国内外隔震研究和应用的历程看，以橡胶隔震支座为主流和其它诸如:复位弹簧和平面滑板并联机构、摩擦摆体系(FPS)和隔震、减振复合体系等的现代隔震技术，通过大量的研究、试验、工程应用，特别是经受强震的考验之后，已由研究阶段逐渐进入到一个推广应用阶段。基础隔震的研究已趋于成熟，隔震效果也十分明显，其水平向减震系数最小可达0．25。但基础隔震也存在着一定的局限性，如:建筑物的周期须小于1．0s，建筑物的层数和高度因此受到限制，对建筑体型和场地土的要求较高，对竖向地震作用尚无有效的隔震方法等。
3建筑物上部结构的隔震方法主要有能量吸收和附加振动体两种方法。能量吸收法是在上部结构的任意层设置阻尼器，通过阻尼器以吸收地震能量来控制预期的结构变形，从而使主体结构构件在罕遇地震下不发生破坏，此外，可变形的抗震墙亦属能量吸收型。附加振动体方法是在任意层楼面上附加摆动式的振动体，在屋面上附加弹簧质量系的振动体，构成新的振动体系，将振动由结构本身向附加振动体转移，这种附加振动体对地震和风等外力的抑制都有效。

消能减震技术
消能减震技术主要通过提高结构的附加阻尼来减少结构的地震反应。其应用十分广泛:可用于新建结构的减震设计，也可用于现有结构的抗震加固;适用于钢筋混凝土结构，更适适合钢结构、高耸结构。一般应用于上部结构，也可应用于基础隔震建筑中的隔震层。消能减振技术是用特别设置的机构和元件将地震动的能量加以吸收和耗散，以保护主体结构的安全。从另一方面考虑，减振消能也可以看作是增加结构阻尼的方法。消能减震技术的实际应用效果与所选用的消能装置关系较大，消能装置的种类繁多，主要有摩擦阻尼器、粘滞阻尼器、磁流变阻尼器等。从阻尼器的工作原理方面可分为滞回型和粘滞型两类，亦可称为位移相关型和速度相关型。
滞回型阻尼器是利用材料变形滞回来消耗能量，其中有:(1)钢阻尼器:此类阻尼器属于弹塑性阻尼器，具有丰满的滞回特性，可以串联在支撑构件中，也可以设置在剪力墙顶部、梁的中间部位以及其他相对变形较大的部位。目前已研究开发了多种耗能装置，如锥形钢耗能装置、圆环钢耗能器、双环钢耗能器等。这类耗能器具有滞回性能稳定、耗能能力大、长期可靠及不受环境与温度影响等特点。(2)铅阻尼器:铅具有密度大、熔点低、强度低、耐腐蚀、润滑能力强等特点，因其具有较高的延性和柔性，故在变形过程中可以吸收大量的能量，并有较强的变形跟踪能力。同时，通过动态回复与再结晶过程，其组织性能还可恢复至变形前的状态。铅阻尼器具有理想的弹塑性性质，其滞回特性呈矩形，与摩擦阻尼器很相似，虽然屈服极限可调，但一经设定就不能改变。目前开发出来的铅阻尼器类型主要有铅挤压阻尼器、铅剪切阻尼器、铅节点阻尼器等。(3)摩擦阻尼器:这种阻尼器本身虽只具有理想弹塑性的特点，但可以通过与主体结构串、并联使用，获得具有接近双线性滞回特性的阻尼耗能效果。摩擦阻尼器是一种性能良好的耗能减震装置，由于它具有较好的库仑特性，耗能明显，可提供较大的附加尼，且构造简单，取材容易，因而具有广泛的应用前景。已研制开发的摩擦阻尼器主要有Pall型摩擦装置、滑移型长孔螺栓节点耗能器、双向摩擦耗能装置等。粘滞型阻尼器是利用与速度有关粘性抵抗作用，从小振幅到大振幅的变化来获得衰减力的。
设计时的注意事项与滞回型阻尼器类似。(1)油阻尼器(粘滞流体阻尼器):这种阻尼器利用活塞推动油缸中的油通过节流孔时产生阻尼力的原理制成。粘滞流体阻尼器曾广泛应用于军事和航空领域，目前已在建筑和桥梁的振动控制中应用。已研制开发的粘滞流体阻尼器有筒式流体阻尼器、油动式阻尼器等。(2)粘弹性阻尼器:粘弹性阻尼器是由粘弹性材料与约束钢板交替叠合而成的，是一种主要与速度相关的减震装置。它通过粘弹性材料的剪切滞回变形来增加结构的阻尼，耗散输入的振动能量，从而减小结构的振动反应。近年来开发的装置有粘弹性橡胶剪切阻尼器、超塑性硅氧橡胶粘弹剪切阻尼制震系统等。此外，还有复合型阻尼器，它是利用两种以上的耗能元件或耗能机制设计而成的新型耗能减震装置。已研制开发的复合耗能器有:弹塑性摩擦阻尼器、摩擦粘弹性阻尼器、流体粘弹性阻尼器等。

问题和展望
隔震技术具有传统抗震技术所无法比拟的优越性，其效果已经历了强震的检验，从世界范围看，隔震技术已发展到实用化阶段。但是建筑隔震技术是一项综合性很强的技术，涉及到规划、设计、施工等多个环节，尤其是造价等因素的影响，严重的妨碍了它的推广使用，因此，必须结合土建特点，从效果、工艺、造价、维修等方面继续研究完善已有的和开发新的经济高效的隔震装置和体系。
今后的研究方面必须重点解决以下存在的一些问题:
(1)注意隔震机构在大变形和后屈曲条件下的潜力、性态和必要的保护措施，进一步提高已有的橡胶支座等的各项性能指标，完善质量保证体系。
(2)研究开发配套的上部结构和转换层设计方法，对框剪结构中剪力墙底部隔震支座的设计计算和构造要求进行进一步的研究。
(3)竖向地震作用对高烈度地震区结构的破坏影响不能忽视，重视研究能够对竖向地震作用有显著减震效果的方法和机构。
(4)针对我国建筑业的发展方向，将隔震思想与新的建筑体系有机结合，充分发挥隔震优势，保证建筑物的抗震性能。
(5)利用现代化的通讯技术、计算机技术和智能材料等，开发具有自适应能力的智能型隔震系统。