建筑結構的抗震與減震之比較分析

張忠良

（成都藝術職業學院，成都 611433）

建筑結構的抗震與減震之比較分析

張忠良

（成都藝術職業學院，成都 611433）

本文分別從建筑結構抗震原理與建筑結構減震原理、建筑結構抗震設計方法與建筑結構減震設計方法、抗震結構與減震結構的設防目標、建筑結構抗震與減震的設計要點等方面進行了比較分析,采取了隔震措施的建筑物要比普通的抗震建筑物更加安全。

抗震；減震；結構

通過對地震預報、工程抗震、地震控制等方面的研究，工程抗震被認為是一項切實有效的措施——預防或減輕地震災害對建筑的損害，其方法是尋求最合理的抗震設計,使在地震時能夠保證建筑結構足夠安全，這是普通的結構抗震設計思想。

建筑結構隔震的思想已有人提出和實施,古代隔震方案如北京故宮，在其基礎底就設有糯米加石灰的柔性減震支座層;現代的基礎隔震理論和實踐方案很多。

1909年國外工程師提出（上部結構—基礎）隔震結構方案。這種隔震結構在建筑物結構與基礎之間用滑石〔云母）層隔開，地震時建筑物可以滑動。如圖A 所示

圖A 結構—基礎隔震建筑

日本建筑師中村太郎于1927年提出的阻尼隔震結構方案，這種隔震系統中使用阻尼泵來消耗地震的能量，并且在該建筑地下層柱的上下端采用鉸接構造，建筑物可以水平自由移動。 如圖 B 所示

圖B 阻尼隔震建筑

1972年美國工程師提出土木工程結構控制的概念，結構控制的概念可以簡單表述為:通過對結構附加控制構件或裝置，由控制構件或裝置與結構共同承受振動作用，以協調和減輕結構的振動反應，使建筑結構在振動作用下的各項反應值被控制在允許范圍內。

普通抗震結構利用結構構件的承載力和變形能力抵御地震作用，吸收地震能量，側重于“抗”。隔震結構在建筑物上部結構與基礎之間設置減震層，阻止地震能量向上傳遞，側重于“隔”。

一、建筑結構抗震原理與建筑結構減震原理的比較

普通結構抗震的基本原理是:通過增強結構本身的抗震性能〔強度、剛度、延性〕來抵御地震作用的，即由結構本身儲存和消耗地震能量。這是被動消極的抗震對策。 由于人們尚不能準確地估計未來地震災害作用的強度和特性,按照普通抗震設計的結構不具備自我調節的能力。因此,結構很可能不滿足安全性研宄而產生嚴重的破壞和倒 塌,造成重大的經濟損失和人員傷亡；

結構減震原理和隔震的原理是：通過設置隔震裝置系統形成隔震層，延長結構的周期，適當增加結構的阻尼，使結構的加速度反應大大減少，同時使結構的位移集中于隔震層，上部結構像剛體一樣，自身相對位移很小，結構基本上處于彈性工作狀態。

二、建筑結構抗震與建筑結構減震設計方法的比較

普通抗震設計方法：以概率理論為基礎，提出三水準的設防要求，即“小震不壞，中震可修,大震不倒”。并通過兩個階段設計來實現:第一階段設計采用第一水準烈度的地震動參數,結構處于彈性狀態，能夠滿足承載力和彈性變形的要求;第二階段設計采用第三水準烈度的地震動參數，結構處于彈塑性狀態，要求具有足夠的彈塑性變形能力，但又不能超過變形限值，使建筑物“裂而不倒”。然而，結構要終止在強震或大風作用下的振動反應〔速度、加速度和位移），必然要進行能量轉換或耗散。普通抗震結構體系實際上是依靠結構構件的損壞消耗大部分輸入能量,往往導致結構構件嚴重破壞甚至倒塌,這在一定程度上是不合理也是不安全的。

結構減震設計方法：是指在房屋結構中設置消能裝置,通過其局部變形提供附加阻尼，以消耗輸入上部結構的 地震能量,達到預期設防要求。具體說就是把結構的某些構件〔如支撐、剪力墻、連接件等）設計成消能桿件,或在結構的某些部位〔層間空間、節點、連接縫等）安裝消能裝置，在小風或小震下,這些消能桿件〔或消能裝置）和結構共同工作，結構本身處于彈性狀態并滿足正常使用要求;在大震或大風下，隨著結構側向變形的增大，消能桿件或消能裝置產生較大阻尼，大量消耗輸入結構的地震或風振能量，使結構的動 能或者變形能轉化成熱能等形式耗散掉,迅速衰減結構的地震或風振反應，使主體結構避免出現明顯的非彈性狀態〔結構仍然處于彈性狀態或者雖然進入彈塑性狀態,但不發生危及生命和喪失使用功能的破壞）。

三、抗震結構與減震結構設防目標的比較

普通抗震設防目標：“三水準”和“兩階段”的設防要求，即“小震 不壞，中震可修,大震不倒”；第一階段設計采用第一水準烈度的地震動參數，結構處于彈性狀態，能夠滿足承載力和彈性變形的要求；第二階段設計采用第三水準烈度的地震動參數，結構處于彈塑性狀態，要求具有足夠的彈塑性變形能力，但又不能超過變形限值，使建筑物“裂而不倒”。

減震結構設防目標：新規范對其抗震設防目標只有如下的原則規定：“采用隔震或消能減震設計的建筑，當遭遇到本地區的多遇地震影響、抗震設防烈度地震影響和罕遇地震影響時,其抗震設防目標應高于本規范第1.0. 1條的規定?！边@里明確了消能減震建筑的抗震設防目標應高于一般依靠自身強度及變形能力〔延性）來抗御地震的建筑的抗震設防目標。

根據對消能減震結構減震能力的系列研究、考慮不同工程情況可能的不同要求以及工程實踐經驗并參考建筑的普通抗震設防目標的要求,為了促進消能減震結構抗震設計技術的進步與在工程中的實施，提出減震結構的抗震設防目標可具體化為如下A、B、C三類。

A目標?？拐鹪O防目標與現行建筑抗震設計規范規定的傳統結構抗震設防目標相同。這個設防目標要求“小震不壞，中震可修,大震不倒”。

B目標。當遭受相當于本地區抗震設防烈度的地震影響時，一般不受損壞或不需修理可繼續使用；當遭受高于本地區抗震設防烈度預估的罕遇地震影響時，可能損壞，經一般修理或不需修理仍可繼續使用。這個設防目標要求“中震不壞，大震可修”。多數減震結構可按照這個設防目標設計。

C目標。當遭受高于本地區抗震設防烈度預估的罕遇地震影響時，一般不受損壞或不需修理或經簡單修理可繼續使用。這個設防目標要求“大震不壞”。對于消能減震要求更高的減震建筑及在較低設防烈度地震區，可采用這類設防目標。

四、框架結構抗震與減震的設計要點的比較1、框架結構抗震設計6要點

①框架結構動力特性分析，主要是結構自振周期的確定；②結構地震反應的計算，包括多遇烈度下的地震反應與結構側移計算；③結構在地震作用下的內力分析；④結構構件的截面抗震設計。

2、框架結構減震設計6要點

①提出框架結構消能減震后的預期變形；②確定結構需要消能器提供的附加阻尼；③設計消能器的類型、數量和布置；④對消能減震結構進行整體的分析,達到滿足變形控制要求；⑤設計消能部件及其與主體結構的連接。

六、結束語

結構的普通抗震的設計思想主要是依靠結構構件自身的強度和延性來抵抗地震作用及吸收地震能量，這種設計方法是讓結構自身承受較大的地震力。在抗震設防區建筑結構設計遵循：強柱弱梁、強剪弱彎、強結點弱構件、強壓弱拉的基本原則，可以保證結構的整體性，防止結構發生倒塌，但是對組成結構體系的構件來講，其吸收地震能量進而發生構件破壞的結果是必然的。因此,設置了隔震措施的建筑物要比普通的抗震建筑物更加安全，建筑物中的隔震技術應將被廣泛應用。

[1]周錫元，吳育才，工程抗震新發展[M]，清華大學出版社，暨南大學出版社，2002

[2]柳炳康，工程結構抗震設計[M]，武漢理工大學出版社，2005

[3]王社良，抗震結構設計[M]，武漢理工大學出版社，2004

[4]鄭久建，粘滯阻尼減震結構分析方法及設計理論研究[D]，中國建筑科學研究院，2003

G322

B

1007-6344（2016）02-0016-02

張忠良（1981.12.21~ ），男，工程師，研究方向：結構設計與工法、地基基礎、結構抗震。