淺談一種有效減小地震效應的技術

【摘要】中國是一個多震的國家，長期的地震災害給我國造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。特別是近年來，國民經濟的發展帶來了建筑業的突飛猛進，各地的高層、高聳結構如雨后春筍般拔地而起，然而，安全問題一直是困擾著人們的一個大問題，如地震和風暴對人們生命和財產的威脅。2008年5月12日發生的汶川大地震中，約7萬人死亡，近2萬人失蹤，還有近38萬人受傷，大量建筑被夷為平地，造成了大量的人員傷亡和巨大的經濟損失。如何減小建筑物在地震中的響應，減小損失和傷亡是一個值得深入研究的重大課題，而基礎隔震是減小地震災害的有效辦法。

【關鍵詞】耗能減震；抗震設計；隔震支座

1、傳統抗震方法

地震發生時，地面振動會引起結構地震反應。如果建筑結構某部分的地震反應過大，將使主體承重結構嚴重破壞，甚至倒塌。為了避免上述災害，必須對結構體系在地震作用下的反應進行控制，并消除結構體系，尤其是高層建筑的“放大器”作用。

傳統的減小結構地震反應的方法主要有：

（1） 大大加強結構物的側向剛度，即做成“剛性結構體系”。這樣結構的地震反應接近地面振動。但在很多情況下，這樣做是很不經濟的，并且由于結構剛度越大，其在地震過程中的剪切力等響應也將越大，因此這種方法不理想，只有少數及其重要的建筑物采用這種結構體系。

（2） 大大削弱結構物的側向剛度，即做成“柔性結構體系”。這種結構體系雖然能有效減小結構各部分的加速度反應，但是由于建筑物層間位移過大，使建筑裝飾物等構配件嚴重破壞，且在風荷載或輕微地震作用下剛度不足，產生的位移和加速度很可能使居住其間的人產生不適，影響建筑的正常使用。

（3） 增加上部結構的剛度，同時減小底下幾層結構的剛度，即做成“柔性底層結構體系”。在地震過程中這幾層將率先進入非彈性工作狀態，保護上部結構免遭破壞。東歐及我國某些臨街建筑（底層為框架，上部結構采用剪力墻或磚混結構）就屬于這種體系。它雖然能有效減小上部結構的地震反應，又能通過底層結構的非彈性變形消耗地震能量。但是由于 效應可能使底層變形過大，導致底層柱破壞嚴重，甚至倒塌。多次震害說明建筑物采用這種結構體系在很多情況下是危險的。

（4） 適當控制建筑物的剛度，以使結構部件（如梁、柱、剪力墻、梁柱節點等）在地震時進入非彈性狀態，并且具有較大的延性，以耗散地震能量，減輕整體結構的地震反應，使結構在大震作用下“裂而不倒”，這就是“延性結構體系”。這種體系也是目前我國和世界各國普遍采用的傳統抗震方法。實踐證明這種方法在很多情況下是有效的，但它也同樣存在一些問題。

傳統抗震設計方法是以保證人的生命安全為原則的設計方法，是以概率論為基礎，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。主要是適當控制結構物的剛度，容許結構構件在地震時進入非彈性狀態，這要求結構具有較大的延性，使得結構物“裂而不倒”。傳統抗震方法是依靠構件的彈塑性變形并吸收地震能量來實現的。

這種傳統設計方法在很多時候是有效的，但是也存在著以下問題：

首先，傳統抗震設計方法是以設定的地震烈度作為設計依據的。但由于地震的隨機性，如果發生突發性的超過設定地震烈度的地震，房屋可能會發生嚴重破壞或倒塌，人員財產的安全性問題難以保證；

其次，結構要減小強震或大風下的振動反應，必然要進行能量轉換或耗散。傳統抗震結構體系實際上是依靠結構及承重構件的損耗來消耗大部分的輸入能量，因此這種方法對某些不容許在地震中出現破壞的建筑結構（如核電站）是不適用的。另外傳統抗震設計只考慮了結構物本身的抗震，并未考慮房屋內部設備的防震，當建筑物內有重要設備、精密儀器等情況時（如通訊中心，醫院等）。

再次，傳統抗震方法以“抗”為主，主要通過加大構件截面，多加配筋來提高建筑物的抵抗地震能力，其結果是構件截面越大，建筑物剛度越大，地震效應也越大，所需構件截面及配筋就越大，惡性循環，大大提高建筑物的造價。

最后，隨著建筑技術的發展，人們對于建筑的要求也越來越高。房屋高度越來越高，結構跨度越來越大，而構件端面卻越來越小，已經無法按照傳統的加大構件截面或加強結構剛度的抗震方法來滿足結構抗震和抗風的要求。

為了克服傳統抗震設計方法的缺陷，近年來結構控制技術逐漸發展起來，并被認為是減輕結構地震和風振反應的有效方法。結構耗能減震技術就是一種結構控制技術，它大大的減少了結構在地震和風振中的振動反應，從而保護結構、結構內部的設備以及裝飾物等不受損壞。《建筑抗震設計規范》（GB50011—2001）首次以國家標準的形式對房屋耗能減震設計這種抗震設防新技術的設計要點做了規定，標志著耗能減震技術在我國已經由科學研究走向了推廣應用階段。

2、現代抗震理論

正是由于傳統抗震設計方法存在諸多弊端，必須尋找一種既安全、適用，又經濟的新的抗震體系。

自1972年J.T.P.Yao提出土木工程振動控制的概念開始，經過國內外研究者的不懈努力，取得了大量的成果，結構振動控制現在已經成為結構抗震領域的熱點課題之一。工程結構振動控制是指在結構的特定部位安裝某些特殊裝置（如隔震墊等）、某種機構（如耗能支撐、耗能剪力墻等）、某種子結構（如調頻質量塊等）或施加外力，以改變或調整結構的動力特性和動力作用。

基礎隔震是在建筑物底部與基礎之間設置一層具有足夠可靠性的“隔離層”來控制地面運動向上部結構的傳遞。其基本原理是：利用基礎隔震系統延長結構基本自振周期，并給予適當阻尼使結構物的加速度反應大大減弱，并讓結構的變形能量主要由隔震系統承擔，而不是由結構自身的相對變形承擔，因而在地震過程中輸入給上部結構的能量很小，為結構的提供更好的安全保障。

建筑結構隔震體系是一種合理、有效、安全、經濟的減震體系，它徹底改變了傳統結構中采用“強化”結構的抗震方法，而是采用“軟化”結構、“以柔克剛”隔離地震的新途徑，即在建筑物的底部設置水平柔性的隔震裝置，使結構隔震系統軟化，降低剛度，延長結構的基本自振周期。上部結構在地震中的水平變形，從激烈的、由上到下不斷的晃動變為只作長周期的、緩慢的、整體水平平動，從有較大的層間變位變為只有很微小的層間變位，因而上部結構在強地震中仍處于彈性狀態。

基礎隔震技術是一種有效的減小結構地震反應的新技術，它具有以下特點：當結構遇到小地震或陣風作用時，基礎隔震裝置具有足夠的水平剛度，足以使結構物基本保持不動；當遇到中大地震作用時，隔震系統在地震作用下產生水平變形，同時吸收大量的地震能量，非常有效的把地震動隔開，可以使上部結構的地震反應明顯降低；當遇到特大地震作用時，隔震系統的限位阻尼系統限制了結構的過大位移，保證結構“大震不倒”，從而達到抗震設防的目的。

基礎隔震技術概念簡單，減震機理明確，減震效果明顯，安全可靠，適用于不同烈度和不同抗震設防要求的結構物和設備。與傳統抗震結構相比，基礎隔震技術具有以下優越性：

（1） 提高了結構地震安全性及舒適感。隔震體系明顯有效地減輕結構的地震反應，與傳統結構相比，一般可以大大減輕結構加速度反應，使上部結構基本處于彈性工作狀態，保證結構物的安全，降低了地震作用的不確定性，從而達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防要求。根據基底隔震結構在地震中的強震記錄和振動臺模擬地震試驗可知，這種隔震結構的加速度反應是傳統抗震結構的1/4～1/12；

（2） 防止了非結構構件破壞和建筑物內設備的振動和破壞。隔震體系使結構的變形主要局限于隔震層，上部結構自身相對變形大大減小。在中小地震作用下，隔震結構基本沒有損壞，仍處在彈性工作階段；在罕遇大地震作用下，隔震結構一般僅發生部分破壞或非結構構件破壞，而不至倒塌，上部結構近似于剛體振動，可以保持儀器和設備的正常使用功能；

（3） 降低了房屋結構的造價。雖然隔震裝置需增加約5%的造價，但由于地震時上部結構的地震作用大大降低，使上部結構的構件面積、配筋減少，構造措施和施工簡單，隔震結構的總造價仍可降低。統計表明：7度區可節省1%～3%；8度區可節省5%～15%；九度區可節省10%～20%；

（4）結構平面設計較為靈活。由于上部結構地震作用減小很多，使得對建筑和結構設計時的嚴格限制大大放寬；

（5） 隔震體系即使在地震作用后產生較大的永久損壞，它的復位、更換、維修也很方便，只需對隔震裝置進行必要的修復，而無需考慮結構物本身的修復，震后可以很快的恢復生產和生活，具有明顯的社會和經濟效益；

（6） 抗震措施簡單明了，減震機理明確。抗震設計只需考慮隔震層的隔震設計，目的明確，無需考慮復雜的抗震節點設計；

（7） 基礎隔震系統既可以應用于重要的建筑物，也可以應用于一般的房屋結構；既可以應用于新建筑，也能應用于已建的建筑的抗震加固改造。

參考文獻：

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