建筑隔震和消能減震設計及應用

劉 瑞 強

(蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050)

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建筑隔震和消能減震設計及應用

劉 瑞 強

(蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050)

介紹了建筑隔震與消能減震技術的特點及設計方法，論述了建筑隔震與消能減震技術的原理和使用范圍，提出了建筑結構常用的減震措施，并針對建筑減震技術中存在的問題，提出了建筑減震技術的發展方向。

建筑結構，隔震技術，消能減震，概念設計

我國是一個多地震國家，地震的隨機性和突發性對人們生命財產造成了巨大的損失，面對傳統抗震結構的缺陷，人們不斷尋求新的結構和技術來達到抗震或減震的目的。目前，隔震與消能減震技術在建筑結構中的應用已經得到了世界的廣泛認可，同時已經開始應用在部分建筑結構中，“隔震”與“消能減震”技術不同于傳統建筑結構設計中的“抗震”，“抗震”結構的特點為“以剛克剛”，即利用結構中各構件的變形力和承載力來抵抗地震作用，抗震結構設計雖具有非常重要的意義，但是它最大的缺陷是當結構遭遇較大地震時結構內部的構件甚至承重結構都會產生較大的破壞，地震過后的維修和加固需要花費許多人力、物力和財力，而“隔震”與“消能減震”結構則采用的是“以柔克剛”，隔震結構的建筑物在上部結構與基礎之間設置有滑移層，阻止了地震輸入的能量向上部結構的傳輸。消能減震結構的建筑物是通過設計的消能部件和阻尼器先于結構構件產生塑性變形，吸收地震輸入能量，以減少結構本身能量的輸入來達到減震的目的。

1 建筑隔震與消能減震技術

目前，隨著國內外對建筑隔震與消能減震技術研究的不斷深入，隔震與消能減震技術得到了很大的發展，隔震技術的種類較多，大致可分為：基礎滾球隔震、基礎彈簧隔震、橡膠墊隔震、懸吊結構隔震、基礎砂石墊層隔震以及結構底層柔性柱隔震等，其原理基本都是利用這些隔震系統來減少地震能量向上部的輸入，隔震系統的存在能夠延長結構自身的基本自振周期，通過適當的阻尼使結構的加速度反應大大減少，地震傳來的能量將由隔震裝置轉化和吸收，阻止了能量向上部結構的傳輸，從而減少了上部結構的相對變形。

消能減震技術是把建筑結構中的某些構件(如支撐、剪力墻等)設計成消能部件或者在結構物中的某些部位(連接或節點處)設計安裝阻尼器，消能部件和阻尼器的作用在于當結構遭遇風或地震作用時，其會先于建筑結構由彈性工作狀態進而轉為塑性工作狀態，通過消能部件的塑性變形和阻尼吸收輸入的能量，以減少主體結構的塑性變形，保證結構的安全性，其中消能部件可由斜撐、剪力墻、梁或節點等構成，此外，在結構的縫隙或構件的連接處設置消能裝置，也能夠發揮很好的消能減震作用。采用消能減震設計，對建筑物的使用功能影響較小，減震較明顯，且布置相對靈活，同時地震力下布置的消能元件傳給與之相連構件的附加力較少，對結構不會造成不必要的破壞。

2 建筑隔震與消能減震概念設計和原理

2.1 建筑隔震的概念設計

廁所革命主要是對旅游廁所的革命。本研究從游客感知的角度出發，采用IPA分析法對青秀山景區旅游廁所的重要性和滿意度進行評價，取得了如下認識和成果：

概念設計在建筑抗震和隔震中占有非常重要的地位，在進行工程抗震設計時，首先應該做好概念設計階段，然后才是嚴謹、合理的抗震或隔震計算，最后則為抗震措施的選用。

建筑物隔震通常需要在建筑物與基礎之間設置隔震裝置，在地震作用下建筑結構的水平變形大多集中在隔震裝置中，通過隔震裝置的變形吸收了地震傳給上部結構的能量，以達到將地震作用隔離的目的，提高了建筑物的地震安全性。建筑物隔震的概念設計首要任務是確定隔震系統能夠允許的最大地震反應、建筑物的結構參數、地震反應頻譜特性等，通過這些參數的確定可大致得到隔震層的總體參數。

2.2 隔震結構的運動方程

其中，Dh為近場系數；Fek為隔震層以上總的水平地震作用力；uh為隔震層允許水平位移；α為作用于隔震層以上設計的設計水平地震加速度；M為隔震層以上總的質量。

消能減震結構在地震作用下起反應的關鍵是確定結構的總剛度和總阻尼比，即：

(1)

將地面運動表達為傅里葉級數的形式：

即:

(2)

在概念設計階段可以主要考慮主頻的影響，則輸入地震的加速度可簡化為：

布爾用疑惑的神情望著伏尼契，伏尼契從口袋里拿出了兩張紙幣，說：“布爾叔叔，我想買一本書，一本被我損壞的書。”伏尼契把損壞書的經過說出后，布爾驚奇地問：“你竟然用了兩周時間賣報來準備賠償，我可不能接受，其實你不告訴我這件事，也就沒有人知道。”

(3)

其中，ω為輸入加速度的主頻率，一般取隔震結構所在處的特征頻率；Ag為輸入加速度等效位移峰值。

由式(1)，式(3)可得建筑物位移是式(1)中系數的函數幅值函數為：

(4)

在一維模型下，隔震結構加速度反應衰減比η(隔震衰減比)可表達為：

我們列舉出其中較少爭議的部分(見表1.2)。詞作者無疑用這些典故給予了歌曲更古老繾綣卻又鮮活動人的強烈感染力。

(5)

實行固定資產信息化管理，除初建系統時需要進行大清查后將原始數據導入系統、對系統進行相關設置、梳理和準備好所需要的如人員庫、地點庫、單位庫等基礎數據外，日常管理中，只需要輸入相關的固定資產增加、變動、處置數據。資產清查時，通過手持連接信息系統的掃描儀，對固定資產上的條碼標簽進行掃描，通過系統分析，可以得出賬實不符資產數據，及時發現資產變動和流失現象。相對以往的手工管理方法，信息化管理大大提高了工作效率。

Study on the Teaching Total Quality Management of Management Postgraduate

此外，在隔震設計過程中還需要估算出隔震層的總體剛度K的上限值：

值得注意的是，雖然不同消落地區由于淹水強度帶來的環境梯度效應基本一致，但原生植被的種類組成、地形、人為干擾強度及土地利用方式并不完全相同，土壤基質和消落程度的差異，適合消落帶生態恢復的植被結構并沒有統一的模式，必須因地適宜，根據不同消落區域的特殊情況選擇適合生態修復的植被結構。

由于建筑物在地震中的運動相對較小，且處于整體平動狀態，因此在概念設計階段，通常可只需確定結構在不同方向的一維平動運動模型(見圖1)。

在隔震層的總體剛度確定后，可根據建筑隔震設計將總體剛度分配到每個隔震支座上去，進行隔震設計。

2.3 隔震技術應用范圍

長期掌管國民黨黨務的陳果夫曾提到，“黨的宣傳為民主自由，黨的訓練為軍事化，黨的組織為學蘇聯，內部是中國的。如此東拼西湊，不成一套，如何是好?”?國民黨體制所存在的上述矛盾實際上都導源于孫中山的建國程序設計。

國內外研究表明，硬土場地較適宜采用隔震結構的建筑，我國隔震結構可適用于Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類場地，以剪切變形為主的體型結構，建筑結構布置多為規則結構，一般不采用隔震措施時基本周期不宜大于1.0s的建筑，此外，由于隔震層的存在，還應考慮軟弱隔震層的抗傾覆能力，因此，在隔震設計中還應對風荷載以地震之外的其他水平荷載進行相應的限制。

2.4 建筑結構消能減震設計

消能減震建筑設計時，應根據罕遇地震或設防烈度下預期的結構位移控制要求進行設計，其原理從能量的角度可描述為：

傳統的抗震結構：Ein=Ev+Ec+Ek+Eh。

從上式可以看出傳統的抗震結構體系中，地震傳來的能量主要通過Eh耗散，這就意味著地震輸入的能量大部分由結構自身的塑性變形吸收，若地震輸入結構的能量過大，則很可能會造成結構體系的嚴重破壞，失去承載能力，但在設計有消能部件的結構，則由于消能部件會先于結構構件而產生塑性變形，吸收地震能量，而后才是結構體系，有效地保護了主體結構。

我在清代筆記中發現一個有趣的故事，說乾隆年間江蘇宜興有人研究老虎后，熬制了黏膠撒在老虎常常打滾的草叢里，而老虎愛干凈（這一點很像貓咪），不能忍受毛皮沾草，就舔啊舔，最終舔得煩躁，暴躁死掉。然后這個人就能比武松更輕松地獲得一只老虎。

一維模型的運動方程：

K=Ks+Ka。

其中，Ks為原結構的剛度；Ka為消能部件附加給結構的有效剛度。

ξ=ξs+ξa。

The authors need to be cautious in the performance of CSP for small (6-9 mm) polyps due to concerns about immediate bleeding and histopathological assessment.

其中，η2為阻尼調整系數，當小于0.55時，應取0.55；ξ為阻尼比。

入黨積極分子是黨員發展工作的重點對象，為新黨員發展質量奠定基礎。入黨積極分子是入黨的必要條件，不是充分條件，確定優秀的入黨積極分子，對黨綜合素質的提升以及踐行社會主義核心價值觀有著積極促進作用。在入黨積極分子的確定過程中，首先由班級同學的推選，同學們對遞交了入黨申請書的團員進行投票。每位同學只能投小于等于規定的票數，否則所投票無效，受推選名額的限制，班級同學會對推選人員進行全方位思考，是否適合成為入黨積極分子。票數高低可以反映出推選人員的群眾基礎，同時也反映出民主集中制原則，最終由學院黨總支確定入黨積極分子。

消能減震結構的計算方法，與消能部件的類型、布置位置、數量及所提供的阻尼大小有關。一般情況下，大阻尼的阻尼矩陣不滿足振型分解的正交性條件，需直接采用恢復力模型進行非線性靜力分析或非線性時程分析，但若主體結構基本控制在彈性范圍內時，可采用較為簡單的線性計算方法估計，對于振型分解反應譜法，應采用振型阻尼比計算。

手工書籍的創作特色就是其形態在很大程度上體現了設計者的個性，它無需考慮工藝上的制約，只需要構思并將其創作出來。例如，以“輪回”為主題，要求學生在書籍制作中表現出生命的循環新生。個性化手工書籍的制作者首先會在材質上力求環保，在內容上體現“輪回”的概念，同時引導學生在制作創意上避免與傳統書籍發生雷同，更追求書籍意境化和藝術性的表現方式。其中，書籍制作的紙張新舊、糙滑以及薄厚等都需要提前考慮，并通過最原始的手工方式制作，懷著崇敬的心情完成整本書籍的制作儀式。

2.5 消能減震結構的使用范圍

（3）為了保障高速公路瀝青路面的最終施工質量，最終的碾壓施工必須要在路面溫度為90～110℃之間勻速進行，并且要換用重為12t的壓路機反復碾壓2～4遍。兩相互重疊的道路區域在碾壓的過程中要保障有1/3～1/2的壓路機輪寬重疊，并且壓路機要保證勻速向前行駛，進而避免道路瀝青混合料發生推移現象。為了避免瀝青混合料粘連到壓路機的鋼輪上，可以在壓路機碾壓之前在鋼輪上噴灑一定量的水。在碾壓施工結束后，一般情況下道路的溫度還是比較高的，此時要確保道路路面的整潔，嚴禁在道路路面上放置相關施工設備，從而確保道路路面不被破壞，進一步保障道路施工的最終質量。

采用消能減震技術需要對建筑進行抗震設防分類，要弄清楚場地條件、抗震設防烈度、建筑的使用功能、結構選型及方案等情況，并結合安全和經濟方面綜合考慮。一般情況下，消能減震技術可用于鋼結構、鋼筋混凝土結構以及鋼—混凝土組合結構等建筑，由于其可以減少結構的水平和豎向的地震作用，故使用范圍較廣，結構高度和類型均不受限制。

3 建筑減震措施

減震技術雖有許多種，但有些仍處于初步研究和設計階段，不能直接用于實際建筑結構中，除過上面論述的在建筑結構中采用隔震和消能減震措施外，還有兩種較為常用的減震措施，這兩種減震措施分別為：1)采用高延性構件：結構的延性大就意味著結構具有良好的變形和耗能能力，但設計的同時也應該注意滿足承載能力的要求，一般在設計中常采用強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件以及強梁柱塑性鉸的方法以提高結構的延性和安全性。2)提高結構本身阻尼：理論研究表明，結構對地震的反應隨著阻尼比的增大和自振周期的加長而減少，結構的阻尼隨著結構類型、材料、地基情況等的不同而不同，尤其對于高層建筑設計時應盡量選用阻尼較大的材料和結構，同時也可以設置一定的阻尼器。

4 建筑減震技術當前存在的問題

隔震與消能減震技術雖然在建筑結構中得到了廣泛的應用，但也存在一些不足之處，比如：

1)目前，大多數隔震裝置在水平地震力作用下減震效果較好，但豎向地震荷載作用下的減震效果不明顯，由于豎向地震作用對大跨度、高聳和懸臂結構的建筑影響較大，故對于這一方面的減震性能還需要進一步的深入研究。2)研制和開發新型的隔震裝置、阻尼器和消能減震元件，設計出高性能的減震裝置。3)研制出一種既減震又便宜的減震裝置，由于當結構采用隔震裝置時會加大結構的造價，這是業主不想看到的，所以這對隔震結構在建筑中的大量應用帶來了困擾。4)擴展隔震結構的使用范圍，加強研究對于軟弱地基、高層以及超高層結構如何使用隔震裝置，以更好地實現安全、適用、耐久和經濟的要求。

5 結語

在結構中采用隔震和消能減震技術，對地震作用的降低具有非常明顯的效果，隔震與減震體系相比傳統的抗震體系更為安全、適用、可靠，在使用了隔震和消能減震的體系中，可以使結構保持在彈性工作狀態，因此結構的受力更加明確、合理，可利用線彈性理論對結構進行分析，消能減震技術與傳統的抗震技術相比，地震反應可以減少40%～60%左右，可以明顯節約工程造價和結構加固造價，一般情況下，結構越高、越柔、跨度越大，則消能減震效果越是明顯，所以消能減震裝置在超高層結構、高聳結構、大跨度結構以及橋梁等結構中研究應用必將成為新的趨勢。

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[5] 姚謙峰，常 鵬.工程結構抗震分析[M].北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社，2012.

Design and application of building seismic isolation and energy dissipation

Liu Ruiqiang

(CollegeofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

The characteristics and design methods of building isolation and energy dissipation technology are discussed in this paper, the principle and application scope of building isolation and energy dissipation technology are analyzed, and also put forward the commonly used shock absorption measures in the building structure, and aiming at the existing problems in building vibration reduction technology, put forward the development direction of build vibration reduction technology.

building structure, seismic isolation technology, energy dissipation, conceptual design

1009-6825(2016)22-0055-03

2016-06-01

劉瑞強(1994- )，男，在讀本科生

TU352.1

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