淺談建筑結構中的減震、隔振技術

【摘 要】目前針對某些重要的建筑物安全性較高的要求和對一些建筑物的修復加固改造的問題，在建筑設計和施工中逐漸地采用隔震和消能減震技術。隔震即是隔離地震，在建筑物和構筑物的基底或某個位置設置控制機構來隔離或耗散地震能量，以避免或減少地震能量向上部結構的傳輸，使結構振動反應減輕，實現地震時建筑物只發生較輕微的運動和變形，從而保障建筑物的安全。隨著科技發展，這種技術越來越來受到人們的重視。

1、傳統的抗震方法

傳統抗震結構主要利用結構主體結構抗側力構件屈服后的塑性變形和耗能來耗散地震的能量，因此對這些區域的耗能性能要求特別重要。一旦由于某些因素而導致這些區域產生問題，則就會嚴重的影響結構的抗震性能，甚至產生嚴重破壞。在以往的結構抗震設計中，主要通過在結構設計中設置多道抗震設防線、選用耗能構件和對結構的剛度、承載力、延性的合理匹配來提高結構抗震性能。

2、隔震技術與作用機理

隔震技術尚屬新興學科，它能有效地吸收地震能量，減少結構的水平地震作用，從而消除或減輕結構和非結構的地震損壞，增強建筑物及內部設施和人員的地震安全性，提高建筑物的抗震能力。

3、隔震方案設計

3.1 基礎隔震

在建筑物或構筑物的基底設置隔震裝置。

3.1.1 隔震器

（1）橡膠支座

它是由多層橡膠和鋼板相互疊加而成，在施加豎向荷載時，由于橡膠受到鋼板的約束，不會產生很大的橫向變形，即具有很強的抗壓能力；水平方向有很大的變形能力，在地震作用下，橡膠墊可以隔離水平方向的運動分量。最初是在1965年用于倫敦的地鐵車站上面的建筑，采用多層橡膠支座防止了地鐵的振動傳給上部建筑物。

（2）鉛心橡膠墊

它是對橡膠支座的一大改進。在橡膠支座中心鉆孔，插入一個鉛芯，利用其塑性變形能力把支座的臨界阻尼從3%增加到10%～15%。因此，在低阻尼要求的情況下，可以不使用阻尼器。

（3）柔性樁結構

它是采用立在套管中的樁來隔震，樁頂鉸接，使樁在水平方向有一定的柔性，套管和樁之間有一定的間隙，使樁可以在套管中變位，將結構與可能發生有害地震的土層分開。當樁頂安置阻尼器時，可構成有效的隔震基礎系統。

3.1.2 阻尼器

（1）油阻尼器

它是比較理想的阻尼材料。根據流體動力學理論可以設計各種形式的油阻尼器。所采用的油材料很多，通常油硅油、機械油、柴油機油、變壓器油等。在設置時，一般不少于四個，對稱布置在基礎的四角，避免在體系質心的坐標軸線上布置阻尼器。

（2）摩擦阻尼器

將幾塊鋼板用高強螺栓連在一起，可做成摩擦阻尼器。通過調節高強螺栓的預應力，就可調節鋼板間摩擦力的大小。通過對鋼板表面進行處理或加墊特殊摩擦材料，可以改善阻尼器的往復摩擦性能。

（3）彈塑性阻尼器

低碳鋼具有良好的塑性變形性能，可在超過屈服應變幾十倍的塑性應變上下往復變形數百次而不斷裂。根據需要，可以將鋼板（棒）彎成各種形狀做成阻尼器。

3.2 懸掛隔震

懸掛隔震即將結構的全部或大部分質量懸掛起來，使地震動傳遞不到主體質量上，產生較小的慣性力，從而起到隔震作用。懸掛結構在橋梁、火電廠鍋爐架等方面有大量應用。

懸掛結構懸桿受力較大，須采用高強鋼，而高強鋼忍性差，在豎向地震作用時易拉斷。為減小豎向地震作用，可在吊點設減震彈簧，并配合使用阻尼器。著名的43層香港匯豐銀行新大樓采用的就是懸掛結構。

4、隔震結構設計

（1）隔震層的位置

設置在建筑物最小層的基礎隔震和設置在建筑物中間層的中間層隔震。在實際工程中，主要根據建筑物的用途、性能、造價等因素來進行綜合判斷確定合適的隔震層位置。如將隔震構件用于較大范圍若干棟中低層住宅的底下部分，其空間可作為設備用房，停車場和共用管道溝，這樣可有效利用城市空間。

（2）隔震層水平剛度的結構方案

為了提高隔震效果，隔震層的水平剛度應十分低，使建筑物的自振周期增大。在實際中，可以采用大間距、大直徑多層橡膠的結構方案，使得每個隔震器的受荷面積增大，而總數減少。

（3）多層橡膠層不產生拉力的結構方案

多層橡膠受拉剪的試驗資料比受壓剪的少，應保證其受力可靠。因此，多層橡膠與上部分結構不采用螺栓連接而采用鉸接連接，使多層橡膠層不產生拉力。

（4）凈空間距

在遭遇特大地震作用時，建筑物的變形不能導致碰撞。因此，水平方向上，應保證具有上部結構的地震變形的1.5～2.1倍的凈空間距。

（5）隔震構件的置換

隔震建筑中，變形和能量吸收都集中在隔震層，因此隔震層構件有可以置換的隔震結構的優點。特別是與隔震器獨立的阻尼器的置換一般較為方便。由于隔震器承受建筑物的重量，不如阻尼器置換容易。一般采用在建筑物或局部設置千斤頂來置換隔震器或對其加固。

5、隔震結構的應用與造價

5.1 隔震結構的應用

一般來說，隔震結構可以適合各種用途的建筑，并都能獲得較好的隔震效果。出于結構的安全性、房屋內部物品的振動翻到、防止構件二次損壞等因素，更適合用隔震措施的建筑物有：

住宅（居民住宅、養老院、療養院）、公共建筑（劇院、醫院、旅館）、防災中心建筑（學校、消防局）、核電設施（核電站、倉庫）、尖端產業設施（研究所、超精密加工廠）、紀念性建筑物（紀念建筑、寺廟）等等。

5.2 隔震結構的造價

隔震建筑在振動性能和抗震安全性方面提高了建筑物的附加價值，因此與以往建筑物比較時，應考慮附加價值進行綜合評價。在考慮隔震建筑的造價時，不僅要考慮初始造價，如果從包括建筑物在使用階段的維修、重建、內部物品的損壞和經濟損失來考慮，隔震建筑具有很好的經濟性。從國內外建筑的實例來看，全部工程費用可能增加，但隔震效果好，上部結構和基礎結構部分的造價減少很多。如果能有效的利用隔震層作為設備層或停車場就可以抵制隔震層的費用增加。因此，總造價可能就會降低。

參考文獻：

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