【远洋设计原创】房子mm和地震君的爱情故事——写给大家的抗震技术

生活中我们常见的房子大部分都是依靠抗震来做到天长地久的，实现途径也比较多样，例如


剪力墙的房子


、


巨型框架的房子


、


交叉网格的房子


等各种实现形式，基本上属于每天见也得见，不见也得见的那种，不管你知道或者不知道他的抗震方式，它总是粘在你身边，默默的跟你共度一生，所以抗震这部分就不展开介绍了。

图5：


不同结构体系的抗震建筑

无处不在的“有关部门”根据不同地区的情况，预测了各个地区可能上门的地震君的强度，结合房子的自身条件，给出一个最低接待能力以及配(ka?ng)套(zhe?n)设(go?u)施(za?o)的要求


，这样，当遇到大约500年来一次的地震君时，基本可以保证房子mm、地震君和我们仍可以愉快的玩耍，但当地震君光临的强度进一步加大时，她尽其所能庇佑身处其中的我们能够继续生活，自己却已零落成泥碾作尘，只有香如故。

图6：


“有关部门”给出的接待能力要求（地震反应谱）

当然，“有关部门”指定要求的高低跟房子在地球上的位置有莫大的干系，假如您正好堵在地震君们进出的大门口，那也没有什么好办法，只能高标准的做好各项接待准备工作，随时等着各位亲来找您谈人生谈理想，例如下面这位亲的位置。同时，标准高也导致了接待成本的提高，这就使得身无寸缕的房子mm既没有办法长的太高，又没有办法打扮的太花哨


。

图7：易受地震君影响的因素

减震的实现途径其实也是比较多的，例如


消能减震


、


调谐质量减震


、


主动控制减震


等，台北101大厦楼上有只著名的金色铁球，就属于看起来比较漂亮的调谐质量减震的一种。但由于减震的实现方式和成本问题，大部分形式的减震技术都属于王谢堂前燕，很少飞入寻常百姓家，所以，考虑到我们日常生活中大部分的房子都属于囊中羞涩型，我们这里主要介绍一种

成本相对不高的减震方式——

消能减震


。

图8：采用消能减震技术的建筑

消能减震主要有跑得快（速度相关型消能器）和走得远（位移相关型消能器）两大类。

（1）跑得快型消能器（速度相关型消能器）

顾名思义，其消耗地震能量的能力主要同所安装位置的相对速度有关系，在其正常工作时，消能器两端的相对速度越大，其所提供的耗能能力也越大。


我们生活中较常见的该类型消能器是自行车减振系统


，当然，建筑中所使用的跑得快型消能器的块头要比自行车大得多。

图9：


跑得快型消能器在自行车与建筑的应用

跑得快型消能器主要分为两种：黏滞消能器和黏弹性消能器，前者主要通过高黏性液体中的活塞运动或平板运动将地震能量转化为热能等其他形式；后者则主要通过黏弹性材料的剪切变形耗能。

鉴于后者的材料性能受环境温度及荷载频率等因素影响较大，使得黏弹性消能器的设计参数存在一定不确定性，同时，薄层状的黏弹性材料剪切变形能力有限，不适用于大变形的抗震结构中，所以在国内采用消能减震技术的建筑中应用比例不高。

图10：跑得快型消能器（速度相关型消能器）分类

常见的跑得快型消能器由于其依靠高黏性液体（如硅油）提供阻尼的特性，该类型消能器在工作时并不改变原有体系的结构周期，而是仅仅增加原结构的阻尼。从加速度反应谱和位移反应谱来看，在“有关部门”预测的地震君光临人数不变（地震影响系数及场地特征周期不改变）、房子自身接待能力不变（结构刚度不改变）的情况下，增加的结构阻尼有效降低了房子的接待需求，同时，也提高了接待过程中的舒适度（减小结构位移），这也就大大提高了房子天长地久的可能性。

图11：跑得快型消能器（速度相关型消能器）工作原理

（2）走得远型消能器（位移相关型消能器）

该类型消能器消耗地震能量的能力主要同设备所安装位置的相对位移有关系，在其正常工作的情况下，消能器两端的相对位移越大，则所提供的耗能能力越大。


还是举自行车的例子吧，自行车的刹车即是走得远型消能器的一种，同样，建筑用的位移相关型消能器也是一个大块头。

图12：走得远型消能器在自行车与建筑的应用

走得远型消能器的核心构件通常由塑性变形性能好的材料做成，如低屈服点钢材或铅等，在地震作用下通过自身优异的塑性滞回性能来耗散地震能量。


较为常见的有金属剪切消能器、金属弯曲消能器、屈曲约束支撑、铅消能器及摩擦型消能器等形式。

图13：走得远型消能器（位移相关型消能器）分类

走得远型消能器由于其依靠金属自身变形能力提供阻尼的特性，设置该类型消能器将在一定程度上增大原有体系的结构刚度，从而缩短了结构周期，而不仅仅是增加原结构的阻尼


。从加速度反应谱和位移反应谱来看，在前述地震君光临人数不变的情况下，房子的接待需求有所降低，但降低的效率则逊于跑得快型消能器，而在提高接待舒适度方面（减小结构位移）的效率则优于跑得快型消能器。

图14：走得远型消能器（位移相关型消能器）工作原理

常见隔震的房子实现途径主要通过


叠层橡胶支座


、


摩擦摆隔震支座


及


十字滑移支座


等形式，弱化隔震层上下房子之间的水平连接刚度，将地表激烈而快速的摇动通过滤波转化为隔震层以上房子缓慢的大振幅的平动


，但考虑到经济因素，项目实践中较常选用叠层橡胶支座形式，仅当设计所需的叠层橡胶支座直径大于800mm时，其他支座形式才可能存在相对的经济性。

图15：不同形式的隔震支座

叠层橡胶支座是将多层天然橡胶制成的薄片橡胶板与钢板交互重叠黏合而成，主要利用了天然橡胶水平刚度低、弹性变形大及钢板垂直刚度大的特点，使得其既能支撑上部建筑物的重量，又能在地震作用时水平弹性变形、地震作用后及时恢复


。

图16：叠层橡胶支座的原理及构造

对于隔震的房子来说，由于其弹性变形大，为了避免其持续的摇摆下去，在设计时必须配合相应的消能措施来耗散地震能量，逐步衰减房子摆动的幅度。因此，隔震的小朋友在愉快的跳舞时，你常常能看到减震的小朋友在卖力的让它冷静下来。但从整体上来看，对于隔震的房子，拦在门外的地震君们那是相当的多，进得门来的地震君们那是杠杠的少，效果好的不要不要的。

图17：南加州大学医院的隔震经历

其实，从实际效果上来说，隔震可以归结为是减震的另一种形式，因为其无法完全隔离地震对房子的影响，也只是在一定程度上减轻或降低地震影响而已，只是同常规的减震相比，隔震在增加结构阻尼的同时，降低了原有体系的结构刚度，拉长了结构周期，因此产生了地震作用大幅降低的效果


。

还是从加速度反应谱和位移反应谱来看，房子对于地震君的接待需求大幅降低，降低的幅度远超前述减震的效果，但好像在接待的舒适度上有些差强人意，而实际上，隔震的房子将原来令人头晕眼花的摇摆式运动转变成了缓慢的平动，也是个相当不错的选择。

图18：隔震房子的工作原理

图19：花式摇摆运动与平动