關于建筑結構及減震技術的探討

何弦

（中煤科工集團重慶設計研究院，重慶 400016）

1 建筑結構的含義

建筑結構是指在建筑物中，由建筑材料做成用來承受各種荷載或者作用，以起骨架作用的空間受力體系。建筑結構因所用的建筑材料不同，可分為混凝土結構、砌體結構、鋼結構、輕型鋼結構、木結構和組合結構等。建筑結構建筑結構中常見結構受力體系類型及施工方法：（1）混合結構：磚混或磚木塊材砌筑墻體、梁柱鋼接而成的受力體系，預制柱、梁、板裝配；現澆混凝土柱、梁，預制板；全現澆鋼筋混凝土。（2）框架剪力墻結構：現澆混凝土墻，現澆混凝土柱、梁，現澆板剪力墻結構：全裝配大板；內澆外掛；全現澆。

建筑結構的影響因素：機械是建筑工程施工中不可或缺的重要工具，建筑機械包括原材料、輔助材料和水泥攪拌中使用的器具；而且機械質量的好壞會最終關系整個施工質量的結果。即使原材料的質量通過了嚴格的監測過程，但是如果沒有精確地加工機械器具，也是會浪費原材料，造成殘缺的次品，阻礙了建筑工程項目。所以，高質量的材料加工機械不僅要求原材料的質量標準，而且需要加工器具的保證。因為，質量是建筑工程項目的命脈。

2 關于地震

2.1 地震的概念

地震是一種常見的自然現象，它的發生往往會伴有破壞性。通常來講，地震又稱地動、地振動，是地殼劇烈運動時產生并釋放能量的一種方式，在能量釋放過程中會造成地表的振動，期間會產生地震波的一種自然現象。地震常常造成嚴重人員傷亡，能引起火災、水災、有毒氣體泄漏、細菌及放射性物質擴散，還可能造成海嘯、滑坡、崩塌、地裂縫等次生災害。

2.2 現實情況

據資料統計，全世界每年大約發生500萬次地震，而且大多數地震都需靈敏的儀器才能測量到，而人能直接感知的也就大約占1%左右。我國是多地震的國家，地震區分布廣大，地震的發生給人民生命財產帶來了巨大損失。這就要求結構構件具有足夠的承載力和塑性變形能力。而傳統的結構抗震是依靠結構自身的抵抗能力，讓建筑物基礎固結于地面，但地震反應的特點是由底向上逐漸放大，為了保證建筑物的安全，提高結構的承載力，必須加大構件的截面，這樣既造成了較多的材料消耗，也使建筑物自重增大，得不償失。隔震和耗能減震是建筑結構減輕地震災害的新技術、新方法和新途徑。所謂隔震就是立足于“隔”，利用專門的隔震元件，以集中發生在隔震層的較大位移為代價，阻隔地震能量向上部結構的傳遞，使建筑物有更高的可靠性和安全性。《建筑抗震設計規范》中增加了“隔震與消能減震”的相關內容，說明我國正日益重視隔震與耗能減震技術與理論的研究，并致力于該技術的推廣應用。

2.3 隔震與消能減震設計原理

由震源產生地震動，通過傳播途徑傳遞到結構上，從而引起結構的震動反應。通過在不同階段采取震動方法控制措施，就成為不同的積極抗震方法。大致包括：

（1）震源→消震消震是通過減弱震源震動強度達到減小結構震動的方法，由于地震源難以確定，且其規模宏大，目前還沒有有效可行的措施將震源強度減弱到預定的水平。（2）傳播途徑→隔震隔震是通過某種裝置將地震與結構隔開，其作用是減弱和改變地震動時結構作用的強度和方式，以此達到減少結構震動的目的。隔震方法主要有基底隔震和懸掛隔震兩種。（3）反應→主動減震主動減震是根據結構的地震反應，通過地震系統地執行機，主動給結構施加控制力，達到減小結構震動的目的。

這種積極的結構抗震方法與傳統的消極抗震方法相比，有以下優點：

（1）能大大減小結構所收得的地震作用，從而可減低結構造價，提高結構抗爭的可靠度。（2）能大大減小結構在地震作用下的變形，保證非結構構件不受地震破壞，從而減少震后維修費用。（3）隔震、減震裝置即使震后產生較大的永久變形或損壞，其復位、更換、維修結構構件方便、經濟。

2.3.1 設計原理

隔震設計是指在房屋底部設置由橡膠隔震支座和阻尼器等部件組成的隔震層，以延長整個結構體系的自振周期，增大阻力，減少輸入上部結構的地震能量，達到預期的防震要求。即通過隔震層的大變形來減少上部結構的地震作用，減輕地震破壞程度，使建筑物只發生輕微運動和變形，從而保障建筑物的安全，隔震一般可使結構的水平地萬方數據震加速度反應降低60%左右。典型的橡膠墊隔震減震器是一層橡膠一層鋼板的多層反復重疊，并在其中心部位鉆孔，安放鉛芯棒所組合而成的裝置。我國較成熟的隔震支座包括中硬度橡膠隔震支座、低硬度橡膠支座、滑板支座和彈性滑板支座等。

其它隔震方法：（1）鉛芯橡膠支座這樣就使支座具有足夠的初始剛度，在風荷來和制動力等常見載荷作用下保持具有足夠的剛度，以滿足正常使用要求，但強地震發生時，裝置柔性滑動，體系進入消能狀態。（2）滾珠（或滾軸）隔震有自復位能力的；有加銅拉桿風穩定裝置；橫向油壓千斤頂位的。另外，還有加消能裝置的，消能裝置有軟消能桿剪，鉛擠壓消能器，油阻尼器，光阻尼器等。（3）滑動支座隔震上部結構與基礎之間設置相互滑動的滑板。風載、制動力或小震時，靜摩擦力使結構固結于基礎上；大震時；結構水平滑動，減小地震作用，并以其摩擦阻尼消耗地震能源。

2.3.2 產生的作用

隔震能使結構的基本周期延長，以避開地震動的卓越周期，明顯地減輕結構的地震反應，使上部結構處于正常的彈性工作狀態。隔震體系抗震措施簡單明了，還能降低房屋造價，而且震后修復方便，震后只需對隔震裝置進行必要的檢查更換，有明顯的社會效益和經濟效益。

3 隔震與消能減震的設計步驟

隔震方案的確定應綜合考慮建筑物高度和層數、最大高寬比、結構類型、場地等因素。隔震技術對體型基本規則的低層和多層建筑比較有效，對高層建筑的效果不大。

3.1 確定隔震層位置

隔震層宜設置在結構第一層以下的部位，橡膠隔震支座設置在受力較大的位置，其規格、數量和分布根據豎向承載力、側向剛度和阻尼的要求通過計算確定。隔震層在罕遇地震下應保持穩定，不宜出現不可恢復的變形。

3.2 隔震支座的選型、布置

由上部結構計算出每個支座上的軸向力，確定出每個支座的直徑，進行隔震支座的平面布置，隔震支座布置時應力求使質量中心和剛度中心一致。

[1]豐定國，王社良.抗震結構設計[M].武漢：武漢理工大學出版社，2003.

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