淺析建筑結構設計中的隔震措施

文/郭保民、許可 河南嘉信建筑設計有限公司 河南安陽 455000

在建筑結構設計中，能否充分地考慮到抗震問題，并且使用有效的措施達到抗震的目的，對于建筑結構的安全性和穩定性有著十分重要的影響，長期以來，建筑設計人員在設計建筑的時候，都是堅持小震不塌，大震能修的原則，在設計方面使用了很多措施進行抗震工作，但是，由于各種因素的影響，這方面的工作還是存在一定的問題，本文對于建筑設計中抗震措施進行分析，希望能夠起到一定的作用。

1、建筑結構的隔震、減振原理

傳統建筑結構設計中，通常以“大震震不倒，設防烈度可修，小震震不壞”為建筑防震設計的標準。但一般而言，建筑結構主要依靠結構吸收變形，來消減地震造成破壞的力量。根據設防標準設計建筑結構，對于中小型地震，可通過變形設計抵消地震破壞力量，此方法具有可行性，而遇到大地震，則無法確保建筑結構的安全。這也是專家工程師研究新結構設計的根本原因所在。

1.1 隔震原理

建筑結構防震系統通常是在隔震層設計的，其將建筑結構分為下部結構、隔震層和上部結構3部分。此種結構設計可降低地震破壞力，將下部結構力量傳到隔震層，并經隔震層后的抗震裝備，消耗和吸收掉大部分的破壞能量，并將另外一小部分能量轉移至上部結構。在設計建筑結構中隔層時，需對上部結構做出一定改變，以應對可能由地震而引起的一系列反應，確保建筑上部結構遭遇強烈地震時處于彈性狀態，不至于被破壞。

1.2 減振原理

耗能減震結構是指建筑結構抗側力裝置，經過有效耗能部件設置進一步實現減振。在建筑結構遭受地震侵襲時，耗能裝置與部件可產生彈塑性，通過產生變形來吸收、消耗地震所帶來的巨大能量波，使其不能造成巨大的破壞，從而達到有效控震、減振的目標。減振原理與隔震原理恰好相反，也是抗震技術的重大突破之一。在建筑結構中，隔震、減振技術主要應用于被動減震，屬于消能構件減震體系。這一結構體系非承重構件屬于消能裝置結構減震體系，一般包括摩擦耗能支撐、耗能較差支撐、消能支撐，以及耗能偏心支撐、耗能隔撐等。消能剪力墻包括豎縫消能剪力墻、周邊縫消能剪力墻和橫縫消能剪力墻。在遭遇較強地震時，建筑結構部位會發生較大賓星，此部位的阻尼器可發揮重要的消能作用。主動控制減震體系是指利用外部能源，兼有主動控制和被動控制兩種優點。其中，主動控制效果，是通過較小的電能來調節和改變結構性能，減少地震破壞，適用于改善工程結構的抗震設防。混合控制是被動控制與主動控制相結合的一種控制形式，采用復合控制方法所以稱之為復合控制，一般常用的形式是HMS。三種控制方式在使用中，均需實時觀測結構反應，實時分析與反饋控制，由于系統結構負責，因此在推廣應用上收到了諸多現實，而增加了結構阻尼、防止共振的被動控制技術，在工程中得到了廣泛應用。

2、建筑結構隔震設計

在一般情況下，隔震技術的選擇是為將結構的自振周期進行延長，以此來降低建筑物本身的地震反應。同時，在對隔震技術進行運用的時候，需要選擇更合適的地形，避免因地形問題所帶來的隔震成效削弱。再者，隔震設計主要被運用在了建筑物的地基與頂層設計中。在開展設計活動的時候，設計者應當對建筑物的結構深入了解，繼而將隔震層科學設置，使其還能夠位于建筑物的核心區域。其隔震設計的設計內容可被分為以下幾種。

2.1 地基材料的選擇

地基作為建筑物和地震接觸的直接地帶，是地震的直接作用區，因此對地基的隔震設置是減小地震影響力的有效手段。而建筑物地基隔震是指對建筑物結構的基礎部分進行隔震處理，在基礎敷設墊層來削弱地震發生的地震波，以減少地震對建筑物的影響。其中傳統隔震的施工方式是在建筑物的地基上交叉敷設黏土與砂子，或者是在軟粘土和砂土的中間放置土工布。隨著建筑技術的發展，有關研究人員已經研發出一種替代粘土砂墊層的改性瀝青阻尼隔震材料，因其自身具有良好的隔震減震效果，可有效減少地震對建筑物結構的損害，得到廣泛應用。

2.2 隔震結構的基礎設計

其指的是通過對建筑物的基礎部分進行設計來使其得以最大程度地抵消地震波，以此來增強建筑物的抗震能力。但該方式不能被運用到高層建筑設計中。因高層建筑會因此而延長自振周期，導致破壞程度的加劇。但在建筑基礎、上部間設置的隔震裝置在底層建筑物中起到很好的效果。可見在建筑基礎隔震方面，還需進行更深入的研究，進一步優化完善，使其也能在高層建筑中發揮不可替代的作用，不斷擴大應用范圍。

2.3 對層間隔震裝置的設置

層間隔震是一種結構抗震和隔震相結合的方法，其是在原結構上安裝由隔震支座與質量組成的耗能減震裝置，在發生地震時，耗能減震機構可以吸收并消耗地震能量，降低結構的地震反應。上述這種方法通常應用在舊房改建，在施工方面具有易操作、簡單的優勢。相比于建筑物基礎部分設置隔震裝置的辦法，層間隔震的作用不是十分顯著，減震的效果能夠達到1/10-3/10的范圍。盡管層間隔震的效果沒有基礎隔震突出，然而，其能夠借助原結構的隔熱層以及結構的加層，進行合理的改建而達到減震的作用，且簡單、易操作，隔震裝置借助于橡膠支座。

2.4 通過懸掛的方式來進行隔震選擇

懸掛隔震指的是把建筑的大部分結構或者整體結構進行懸掛，也就是設計為懸掛結構，通過這種方式，減輕地震的影響，當發生地震的時候，地震能量不會傳遞至懸掛的建筑結構，從而有效減小地震造成的損害。建筑結構懸掛隔震方式通常使用在大型的鋼結構中，大型的鋼結構都是使用鋼結構懸掛來達到隔震的目的。大型鋼結構通常可以分成主框架與子框架，在懸掛體系內，子框架通過吊桿或者索鏈懸掛在主框架上，當發生地震的時候，主框架會伴隨地殼運動產生搖擺，但是，子框架與主框架間有著能夠活動的吊桿和索鏈，地震的能量傳到吊桿和索鏈的時候就會被削弱，因此能夠降低地震造成的破壞。

3、建筑結構設計中常用的減震技術

上述提到的幾種措施，主要是對于建筑結構的基礎部分或者是關鍵位置做特殊設計，或者是使用特殊的材料，或者是安裝減震裝置來達到減少地震能量的效果。而建筑結構設計中使用到的消能減震技術，是使用建筑以外的部件，在一定程度上來加大建筑的阻尼，消耗地震產生的能量，避免建筑由于地震而遭受破壞。能夠減小地震能量，起到建筑安全保護的裝置與元件有很多，一般是各種不同的消能器與阻尼器，通常人們將這些裝置分成滯回型與粘滯型這兩類。現階段，減震技術已經得到了廣泛的應用，主要有下面這樣幾種情況。

3.1 新建建筑的結構設計

伴隨人們防震減災意識的不斷加強，建筑結構的設計理念也隨著得到更新，人們對于建筑結構設計中的減震設計、隔震設計給予了更多的重視。設計人員在進行建筑結構設計的時候，除了可以對于建筑的基礎部分使用特殊方法進行處理外，還能夠通過安裝消能減震裝置或者是使用元件減輕地震對于建筑造成的影響，保障人民的人身安全和財產安全。

3.2 對建成建筑的抗震加固

對于建筑的地基進行隔震設計的時候，施工人員需要在建筑正式開工之前就根據隔震設計的有關措施，對于相應的工作進行有效完成。最遲也需要在建筑施工的過程中，在建筑的關鍵位置安裝有效的隔震裝置。倘若在建筑建成之后，再想對建筑進行抗震加固，就需要使用增加阻尼的方式，在建筑結構上重新加強消能減震的裝置。消能減震裝置比較適合用在高層建筑結構、鋼結構之中，在建筑中，消能減震裝置業適用于建筑的各個部位，其使用較為廣泛，不僅僅能夠使用在建筑的上部結構中，也能夠使用在建筑的隔震夾層中。

3.3 結構的平面與豎向的合理布置

在建筑結構的設計中，要想達到隔震減震的效果，還需重視建筑物結構的平面布局的影響，堅持平面簡單、規則的原則來設計，順著建筑物的兩個方向對稱設計抗側力構件，并且兩個方向的剛度相同，質心和剛心重合。如果選用豎向布置時，結構的豎向構件必須保持連續性，并順著高度勻稱變化，以免側向剛度與承載力變形。但需要注意的是，在設計的過程中，禁止設計成不規則形狀的平面與“頭重腳輕”形狀突變的立面，以免結構應力集中而發生扭轉效應，降低了整體建筑的剛度。

結語：

在建筑結構設計中，能否充分地考慮到抗震問題，并且使用有效的措施達到抗震的目的，對于建筑結構的安全性和穩定性有著十分重要的影響，長期以來，建筑設計人員在設計建筑的時候，都是堅持小震不塌，大震能修的原則，在設計方面使用了很多措施進行抗震工作，但是，由于各種因素的影響，這方面的工作還是存在一定的問題，本文對于建筑設計中抗震措施進行分析，希望能夠起到一定的作用。