建筑隔振消能技術(shù)分析

邱曉光　孫軍

【摘 要】 地震造成的破壞會嚴(yán)重威脅到人們的生命與財(cái)產(chǎn)安全，近些年，我國結(jié)構(gòu)工程師們一直沒有停止過對建筑物抗震的研究。建造抗強(qiáng)烈地震的建筑物和構(gòu)筑物成為建筑工程領(lǐng)域重要的課題。為了抵御地震災(zāi)害，通常的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的是抗震設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)的是“抗”。本文通過分析傳統(tǒng)抗震方法的不足，通過對隔震及減震原理的分析，重點(diǎn)闡述幾種隔震減震方法，以期為相關(guān)工作者提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】 建筑；隔震；消能減震；振動控制

【Abstract】 The damage caused by the earthquake will seriously threaten the safety of people's lives and property. In recent years， structural engineers in China have not stopped studying the earthquake resistance of buildings. Building buildings and structures that resist strong earthquakes has become an important issue in the field of construction engineering. In order to withstand earthquake disasters， the general design of the building structure uses seismic design， emphasizing "resistance." This article analyzes the shortcomings of the traditional method of earthquake resistance， through the analysis of the principle of isolation and shock absorption， focusing on the description of several seismic isolation methods， in order to provide reference for related workers.

【Key words】 Building； Isolation；Energy dissipation；Vibration control

建筑物除了承受豎向荷載外，還要承擔(dān)風(fēng)和地震水平荷載的作用，建筑物越高，這個(gè)水平荷載效應(yīng)就越明顯。我國 41% 的國土、50% 以上的城市位于地震烈度 7 度以上的地區(qū)，面臨的地震災(zāi)害形勢非常嚴(yán)峻。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化使人口和財(cái)富高度密集，強(qiáng)烈地震造成的傷亡和損失將越來越大，震后的修復(fù)和城市的復(fù)興就越有難度，對國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定的沖擊也將更為劇烈。

1. 傳統(tǒng)抗震方法與不足

通常來說，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的是抗震設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)的是“抗”，即采用“延性結(jié)構(gòu)體系”適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度，但容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件（ 如梁、柱、墻、節(jié)點(diǎn)等等） 在地震時(shí)，進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并且具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反映，使結(jié)構(gòu)物 “裂而不倒”。這種體系在很多情況下是有效的，但也存在很多局限性： 首先，由于結(jié)構(gòu)物的承重構(gòu)件在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，對某些重要的結(jié)構(gòu)物是不容許的（ 紀(jì)念性建筑、裝飾昂貴的現(xiàn)代化建筑、原子能發(fā)電站等）；其次，對于一般性建筑，當(dāng)遭遇超過設(shè)防烈度地震時(shí)，由于主體結(jié)構(gòu)已發(fā)生嚴(yán)重非彈性變形，在地震后難以修復(fù)或在強(qiáng)地震中嚴(yán)重破壞，甚至倒塌，其破壞程度難以控制；再次，隨著地震強(qiáng)度的增大，結(jié)構(gòu)的斷面和配筋都相應(yīng)增大，造成經(jīng)濟(jì)的 “浪費(fèi)”。隨著科技高速發(fā)展和節(jié)能環(huán)保為主題的今天，對各種建筑物和構(gòu)筑物的抗震減震要求越來越高，使 “延性結(jié)構(gòu)體系”的應(yīng)用日益受到限制，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系和理論難以滿足發(fā)展需求，而由于隔震、消能和各種減震控制體系具有傳統(tǒng)抗震體系所難以比擬的優(yōu)越性，在建筑結(jié)構(gòu)中將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2. 隔振、消能技術(shù)分析

2.1 隔震與消能減震原理。

隔振、減震控制的基本原理是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間或建筑物與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震、減震裝置，通過隔震、減震裝置的耗能特性，減小振動能量向周圍環(huán)境的傳遞，達(dá)到減小振動對周圍環(huán)境影響的目的。

2.2 隔震與減震方法。

（1）粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)。

粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)、地震模擬振動臺試驗(yàn)及大量的結(jié)構(gòu)分析表明，在結(jié)構(gòu)中安裝粘彈性阻尼器可減小風(fēng)振反應(yīng)和地震反應(yīng)40%～80%，可確保主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)震中的安全性，并使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)的舒適度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。西雅圖哥倫比亞中心大廈起初是因?yàn)樵陲L(fēng)振的影響下，頂部幾層有明顯的不舒適感，安上粘彈性阻尼器后，不再有不舒適感，效果良好。若采用加大剛度的方法來獲得同樣的效果，需要把現(xiàn)有的柱尺寸擴(kuò)大一倍，粗算價(jià)值約800萬美元，顯然采用增加剛度的辦法是難以接受的，而采用粘彈性阻尼器所用的試驗(yàn)及安裝費(fèi)用僅 70萬美元。在北京的銀泰中心也設(shè)置了粘滯阻尼器，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)證明有很好的減振效果。由此可見，采用粘彈性阻尼器減小建筑的風(fēng)振或地震效應(yīng)在經(jīng)濟(jì)上是相當(dāng)可觀的。

（2）吸能減震。

吸震減震是通過附加子結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)的震動發(fā)生位移，即使結(jié)構(gòu)的振動能量在原結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之間重新分配，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)震動的目的。目前，工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用的吸震減震裝置主要有：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（簡稱 TMD），調(diào)液（柱）阻尼器 （簡稱TLD或TLCD）懸吊質(zhì)量擺阻尼器（簡稱SMPD）和質(zhì)量放大器。屋面上的水箱也起到一定的減震效果，相當(dāng)于 TMD。

（3）金屬阻尼器。

是在框架中加屈曲約束支撐，在常規(guī)荷載下，起到支撐的作用，而在地震作用下，金屬支撐通過塑性變形來消耗地震的能量，從而起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用。這在抗震加固的工程中得到廣泛的應(yīng)用。擬建的首都規(guī)劃大廈設(shè)置了柱間“人”字型支撐，大大減小了地震力的影響。

（4）沖擊減震。

沖擊減震是依靠附加活動質(zhì)量與結(jié)構(gòu)之間的非完全彈性碰撞達(dá)到交換動量和耗散動能進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減小結(jié)地震反應(yīng)的技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般在結(jié)構(gòu)的某部位（常在頂部）懸掛擺錘。結(jié)構(gòu)震動時(shí)，擺錘撞擊結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)震動衰減。另外，擺錘還兼有吸振器的功能。

（5）主動控制。

結(jié)構(gòu)主動控制是利用外部能源，在結(jié)構(gòu)受激勵振動過程中，對結(jié)構(gòu)施加控制力或改變結(jié)構(gòu)的動力特性，從而迅速地減小結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)。主動控制系統(tǒng)主要包括傳感器、控制器和作動器三個(gè)組成部分。傳感器測量結(jié)構(gòu)反應(yīng)或外部激勵信息?？刂破魈幚韨鞲衅鳒y量的信息，實(shí)現(xiàn)所需的控制律，其輸出為作動器的指令。作動器產(chǎn)生控制力，所需的能量由外部能源提供，控制力有時(shí)通過一個(gè)輔助子結(jié)構(gòu)作用到受控結(jié)構(gòu)上。主動控制的工作原理為： 傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和外部激勵，將監(jiān)測的信息傳人計(jì)算機(jī)內(nèi)，計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的算法計(jì)算出控制力的大小，最后由外部能源驅(qū)動作動器產(chǎn)生所需的控制力而施加于結(jié)構(gòu)上。由于實(shí)時(shí)控制力可以隨輸人地震波改變，因此控制效果基本不依賴于地震波的特性，這方面明顯優(yōu)于被動控制。

3. 關(guān)于建筑隔振消能技術(shù)的研究

（1）不同支承形式的消能減震研究不同的消能減震形式被引入到越來越多的結(jié)構(gòu)中，并做了許多相關(guān)的理論研究。

（2）消能器減震效果的研究。到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器、粘滯液體阻尼器以及復(fù)合阻尼器，并對它們的減震效果做了研究。歐進(jìn)萍等對設(shè)置兩種摩擦阻尼器（T 形芯板摩擦阻尼器和擬粘滯摩擦阻尼器）和粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了時(shí)程分析，研究表明：三種阻尼器都能有效地控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng) ； T 形芯板摩擦阻尼器的位移控制效果與擬粘滯摩擦阻尼器接近，但后者的加速度控制效果好于前者。

（3）不同結(jié)構(gòu)減震研究及消能體系優(yōu)化。很多學(xué)者對不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減震方面的研究，包括框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、框架筒體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等。出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，一些學(xué)者開始著手于消能結(jié)構(gòu)體系的減震研究和消能體系的優(yōu)化。主要包括消能裝置安裝位置的研究和消能裝置的參數(shù)優(yōu)化等。

4. 結(jié)語

綜上所述，隔振是工程上防止振動危害的主要手段，隔振消能技術(shù)不僅成本低、修復(fù)方便，其施工方式也進(jìn)一步簡化，同時(shí)為設(shè)計(jì)留出了較大的空間，能夠確保建筑安全。目前，消能減震部件種類已經(jīng)較多，但更要注重其實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性以及支承連接形式的研究。消能減震部件設(shè)置的位置對結(jié)構(gòu)的減震效果較敏感，因此，如何提高減震效果與消能體系的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，創(chuàng)造綠色生活環(huán)境，是今后研究的方向。

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[文章編號] 1619-2737（2018）01-15-614