高烈度地震区结构隔震和消能减震设计

汤垚天

摘要：在高烈度地震区，地震频发，建筑必须要做好有效的抗震措施。其中隔震减震设计能够很好的降低地震造成的破坏，有效保护建筑结构。

关键词：隔震；减震；概念；优势；应用

1前言

地震是一种突发性的、严重危害人类生命和财产安全的自然灾害。近年来，全球范围内发生了多次未预测到的大地震，例如前几年的汶川、海地地震，破坏力之大，震惊世界。

2隔震及消能减震设计可行性及必要性分析

通常作为公建的高层建筑一般采用框架剪力墙结构，在高烈度地震区如按传统方法设计，需加大框架、剪力墙截面尺寸和数量，来抵抗较大的地震作用。这样的设计，增加了结构本身的质量和刚度，地震作用相应加大，结构层间剪力及位移将大幅度增加，且很多构件有超筋现象发生，抗震性能不佳，较难满足规范要求，也会影响建筑的正常使用功能。《抗规》提供的隔震及消能减震(以下简称减震)抗震设计理论，主旨是“柔”———以柔克刚，用隔震减震构件的变形来消耗地震作用所产生的能量。这样，上部结构承受地震作用减小，结构层间剪力及位移也相应减少，较易满足现有规范要求，抗震性能得到提高，这是抗震设计理论的新发展。目前，隔震与减震技术已在许多地震频发的国家与地区得到广泛的应用，如日本新建筑几乎都要采用隔减震技术。有关国家对隔减震技术进行了深入的研究，积累了相当多的工程实践经验，并制定了隔减震技术设计指南或设计规程。我国2010版《抗规》也对隔减震有关规定进行了修订，为高烈度地震区采用隔减震技术提供了更广泛的空间。根据国内外隔减震技术研究和工程实践经验，可认为隔震及减震技术是减轻建筑物地震灾害的有效技术。

3隔震和消能减震

3.1隔震结构

“隔震”即隔离地震。在建筑物上部结构与基础之间以及上部建筑层间设置的隔震层能隔离地震能量向上部传递，降低上部结构的地震作用，达到预期的防震要求，使建筑物的安全得到可靠保证。隔震系统是在建筑物基础与上部建筑结构间或上部建筑层间设置隔震装置（或系统）形成隔震层，把上部结构与基础隔离开来，同时，上部建筑结构通过层间建筑隔震也可以减小下部结构的振动，利用隔离装置来隔离或耗散地震能量，以避免或减少地震能量向上部结构传输，从而减轻建筑物的地震反应，实现地震时隔震层以上主体结构只发生微小的相对运动和变形，使建筑物在地震作用下不损坏或倒塌。

3.2消能减震结构

消能减震结构是把建筑物的某些非承重构件（如支撑、剪力墙等）设计成“消能”构件，或在建筑物的某些部位（节点、连接缝或连接件）装设阻尼器，以及在楼层空间、相邻建筑间、主附结构间设置消能装置。在轻微地震作用时，这些消能构件或消能装置处于刚弹性状态，结构物具有足够的侧向刚度以满足正常使用的要求；在强烈地震发生时，随着结构受力和变形的增大，这些消能构件和装置率先进入非弹性变形状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，避免主体结构进入明显的非弹性状态并迅速减小结构的地震反应，从而保护主体结构在强地震中免遭损伤。

4隔震减震的优势

与传统抗震结构体系相比,以结构减震控制技术为主要设计依据的隔震、消能减震结构体系的优势。

4.1隔震、消能减震结构体系更为安全

传统抗震结构体系的耗能依赖于主体结构构件的弹塑性滞回耗能,允许结构本身及构件在地震中出现一定程度的损坏，这将导致结构构件的损伤破坏。同时,由于地震烈度的随机变化性和实际抗震能力计算的误差,结构的破坏位置和损坏程度难以控制，特别是出现超强地震时，结构难以确保安全。与此相比，由于隔震装置的水平刚度远远小于上部结构的层间水平刚度，所以，上部结构在地震中的水平变形从传统抗震结构激烈的、由下往上不断加大的“放大晃动型”变为隔震结构长周期、缓慢的、由下至上比较均衡的“整体平动型”，从有较大的层间变形变为仅有很微小的层间变形，从而保证上部结构在强震中仍处于弹性状态，提高了整体结构的安全性。同样的，消能减震结构体系的耗能装置位置明确,并作为结构体系中耗散地震能量的主体能够耗散大部分地震输入能量,减小结构地震反应,从而可避免主体结构构件的损伤破坏。此外，消能构件（或装置）属于非承重构件，仅在结构变形中发挥耗能作用，所以不对结构的承载力和安全性构成威胁。根据有关实验数据，隔震结构能降低水平地震作用50%～70%，消能减震结构的地震反应比传统抗震结构能够降低50%左右。

4.2隔震、消能减震结构体系更为经济

传统抗震结构主要是通过增设剪力墙、加大结构构件截面尺寸或者增加配筋等途径来提高结构的抗震能力,这将导致结构造价增高。而隔震、消能减震结构是通过“柔性消能”的方式减少结构的地震反应，主体结构和消能装置分工明确，主体结构的承重构件负责承受主要荷载，而消能装置并非承重构件，仅承担为结构提供较大阻尼，耗散输入结构的地震能量的作用，这样，一方面能够减少结构构件的设置、断面和配筋,另一方面由于消能装置的协调合作，耗散了一部分地震能量，从而提高了结构整体的抗震安全度。工程资料表明，采用消能减震结构体系,对于新建建筑可以节省结构5%～10%的造价;对于旧有建筑抗震加固改造可以节省10%～60%的造价。此外，在隔震、消能减震结构中，主体结构不会受到损伤，震后无需修复，具有明显的社会与经济效益。

4.3隔震、消能减震结构更加适应建筑技术的发展

随着建筑技术的不断发展，高强轻质材料越来越多的被采用，结构构件断面越来越小，房屋高度越来越高，结构跨度越来越大，若要满足结构抗震要求，已无法采用传统抗震理论中的单纯依靠构件的强度和刚度，以“硬碰硬”的方式来抵御地震的方法，而隔震和消能减震结构则更加倾向于“以柔克刚”，结构越高、越柔、跨度越大，消能减震效果越显著，因而，隔震、消能减震技术必将成为采用高强轻质材料的超高结构、大跨度结构及桥梁的合理减震手段。此外，各类新型消能装置和系统的研发与完善，也使此种结构越来越具有优越性。

4.4隔震、消能减震结构的适应范围更广泛

传统抗震设计方法允许建筑结构在地震中出现损坏，对于某些不允许在地震中出现破坏的建筑结构，或有贵重装饰、设备和仪器等的建筑结构，还难以适用。传统抗震结构只考虑建筑结构本身的抗震，未考虑房屋内部设备、仪器、计算机网络、急救指挥系统、通讯系统及医院医疗设备等情况，一旦发生地震，这些都可能会遭到大的破坏。相比较之下，因为隔震、消能减震结构中隔震层与隔震装置（系统）的存在，使结构的动力反应（加速度、速度、位移）明显减少，并得到合理的控制，从而确保了结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等的安全和正常的工作使用环境。

5建筑结构设计中常用的减震技术

5.1新建建筑物的结构设计

随着人们安全意识的不断提升与建筑结构设计观念的更新人们对建筑结构隔震、减震的设计愈来愈关注。我们在进行设计的时候不仅仅要对建筑物的基础部分进行特殊的处理,还要借助于消能减震设备与元件减弱地震对建筑物的伤害力度确保人们的财产与生命安全这些减震设备与组件是为了强化许多建筑工程后期的防震工作而研发的也能够在施工的后期对建筑物的防震功效进行补充胆其影响作用通常比隔震层差一点。

5.2对建成建筑物的抗震加固

在进行建筑物的地基与基础隔震设计时必须要在建筑物没有开工之前依照隔震的设计措施进行有关的工作。最晚的也要在建筑物施工过程当中在建筑物的重要部位装置特别的隔震设置不然的话就达不到隔震功效。在建筑物建成之后徜若想对其进行抗震稳固就要运用增多阻碍的方式在建筑物结构上来增添消能减震设施加此不仅仅会增多施工的成本造成工程造价的增多,还为施工导致了不便由于增多阻碍的施工步骤要比隔震层的施工繁杂许多。

6结束语

综上所述，采取有效的隔震减震措施，降低了地震所造成的危害，提高了建筑的安全性能。

参考文献

[1]柳炳康.工程结构抗震设计[M].武汉理工大学出版社，2015.

[2]周锡元，吴育才.工程抗震新发展[M].清华大学出版社，暨南大学出版社，2015.