淺述建筑結構減震與消能減震設計.doc

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淺述建筑結構隔震與消能減震設計 崔XX XX理工大學XX學院XX學員大隊 江蘇XX 02XXXX 內(nèi)容摘要 摘要：本文對建筑結構“隔震”與“消能減震”設計的基本原理及其特點進行簡要的介紹和說明，并對結構抗震設計、隔震設計和消能減震設計進行分析和對比，供初學者參考。 主題詞：抗震設計 隔震設計 消能減震設計 1 引言 地震是一種突發(fā)性的破壞性極強的自然災害，罕遇的大地震會給建筑物及構筑物造成極大的破壞，造成極大的人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失。回顧21世紀發(fā)生的幾次大地震如尼泊爾大地震，汶川大地震，智利地震等無一不對人們和社會造成不可估量的破壞和損失。當前的科技水平尚無法預測地震的到來，未來相當長的一段時間內(nèi)，地震也是無法預測的。而且即使做到了震前預報，如果工程設施的抗震性能薄弱，也難以避免經(jīng)濟損失。地震時不可控的，但工程結構是可控的，因此，實施有效的抗震設防是當前防震抗災的關鍵性工作，而隔震和消能減震技術在建筑結構中應得到廣泛應用。 傳統(tǒng)的建筑結構抗震設計是依靠增加結構的強度、剛度和延性來增加結構各構件的承載力和變形能力來抵御地震作用，，來實現(xiàn)“大震不倒，中震可修，小震不壞”的防御目標，立足于“抗”，是一種消極的設計方法。隨著科技水平的發(fā)展和傳統(tǒng)抗震結構在地震中的表現(xiàn)，傳統(tǒng)建筑結構抗震設計暴露出很多問題，不能滿足現(xiàn)代建筑在抗震設防方面的需求。所以抗震減災事業(yè)的發(fā)展，不能局限于傳統(tǒng)的建筑結構抗震設計，更應該搭上科技創(chuàng)新的這輛快車，用新技術來提高和改善建筑物的抗震性能。在建筑物中設置隔震層和消能減震裝置來減輕地震的破壞這種新型結構體系就是其中之一。本文就這一新結構體系做一簡要闡述。 2 “隔震設計”與“消能減震設計”的基本設計原理 2.1 隔震設計 “隔震”即隔離地震，分為基礎隔震和層間隔震。在建筑物適當部位設置隔離裝置，切斷或削弱地面運動向上部結構的傳遞，并提供適當?shù)淖枘?，從而使上部結構的地震作用大大降低，耗能能力加強，達到預期的防震要求。如疊層橡膠墊支座、高阻尼橡膠墊支座、滑移隔震支座和混合隔震裝置等。 2.2 消能減震設計 消能減震技術是把結構物某些部位（如支撐、剪力墻、連接縫或連接件）設置耗能 阻尼器，通過該裝置產(chǎn)生摩擦，彎曲（或剪切、扭轉(zhuǎn)）彈塑性（或粘彈性）直回變形來耗散或吸收地震輸入結構的能量，以減小主體結構的地震反應，從而避免結構產(chǎn)生破壞或倒塌，達到減震控制的目的。 在消能減震結構體系中，消能（阻尼）裝置在主體結構進入非彈性狀態(tài)前率先進入耗能工作狀態(tài)，充分發(fā)揮耗能作用，消耗掉輸入機構體系的大量地震能量，式結構本身需消耗的能量很少，這意味著結構反應將大大減小，從而有效地保護了主體結構，使其不受到損傷或破壞。 3 “隔震設計”、“消能減震設計”與傳統(tǒng)抗震設計的區(qū)別 3.1 “隔震設計”、“消能減震設計”與傳統(tǒng)抗震設計的比較 對于一般的抗震結構，為保證在遭受不可預見的強烈地震時，結構不致產(chǎn)生嚴重的破壞和倒塌，其抗震設計原則是允許結構中的部分次要構件產(chǎn)生一定的塑性損傷變形，利用結構的延性和塑性變形來耗散地震輸入能量，防止結構倒塌。這種設計方法根據(jù)結構中不同構件的重要程度，人為在結構中設置薄弱環(huán)節(jié)，控制結構在罕遇地震下的損傷破壞機制，使結構的破壞模式按照設計人員的意愿出現(xiàn)，從而盡可能避免強震下結構出現(xiàn)預想之外的破壞。這種抗震理念和設計方法完全依靠結構構件自身的強度和塑性變形能力來抵抗地震作用，是所謂的“硬抗”地震的方法。傳統(tǒng)抗震設計存在以下幾個方面的問題： （1) 結構的安全性難以保證 傳統(tǒng)抗震方法以既定的“設防烈度”作為設計依據(jù)，由于地震的隨機性，建筑結構的破壞程度及倒塌的可能性難以控制，當發(fā)生突發(fā)性超烈度地震時，房屋可能嚴重破壞。 （2）建筑費用成本大大增加 傳統(tǒng)方法是在設計時提高材料的強度，增加構件（結構）剛度，其結果是斷面越大，剛度越大，使用面積減少，建筑物自重增大，地震作用隨之增大。 （3） 適用范圍受到限制 傳統(tǒng)抗震方法采用的是延性結構體系，允許結構部件在強震時發(fā)生較大的塑性變形，以消耗地震能量，減輕地震反應，這種方法對于某些不容許在地震中出現(xiàn)破壞的結構、或內(nèi)部有貴重裝飾、重要設備儀器的結構是不適用的。 （4） 施工難度大 結構構件和節(jié)點的鋼筋配置過密，9度區(qū)甚至無法排布。 （5） 建筑的高度受到限制等。 房屋結構的隔震設計是在建筑物基礎與上部結構之間設置有隔震器和阻尼器等組成的隔離層，隔離地震能量向上部結構傳播減少輸入上部結構的地震能量，減輕上部結構的地震反應。 地震時，隔震結構的震動和變形均可只控制在較輕微的水平，從而使建筑物的安全得到更可靠的保證。隔震器的作用是支承建筑物重量、調(diào)頻濾波，阻尼器的作用是消耗地震能量、控制個陣曾變形。 隔震體系能夠減小結構的水平地震作用，已被理論和國外強震記錄證實。國內(nèi)外的大量實驗和工程經(jīng)驗表明：“隔震”一般可使結構的水平地震作用降低60%左右，從而有效減輕或消除結構和非結構的地震破壞，提高建筑物及其內(nèi)部設施、人員在地震中的安全性，增加震后建筑物繼續(xù)使用的能力。 下表列出了隔震設計和傳統(tǒng)抗震設計在設計理念上的區(qū)別。 圖表1：抗震房屋和隔震房屋設計理念對比 抗震房屋 隔震房屋 結構體系 上部結構和基礎牢牢連接 削弱上部結構與基礎的有關連接 科學思想 提高結構自身的抗震能力 隔離地面能量向建筑物輸入 方法措施 強化結構剛度和延性 濾波 圖表1 對于消能減震結構，采用的是減震控制的設計思想，即：通過附加消能減震裝置與原系統(tǒng)組成一個新的系統(tǒng)，原結構和附加的消能減震裝置均為這一新結構系統(tǒng)的子結構。這一新結構的動力特性和消能能力與原結構相比有較大變化，附加的消能減震裝置使原結構承受的地震作用顯著減小，從而達到控制結構地震反應的目的，減輕結構的損傷程度。 減震技術主要包括消能減震、隔震減震、質(zhì)量調(diào)諧減震和主動控制減震。下表給出各種控制技術的比較。 表2：各種減震技術的比較 控制技術 應用范圍 特點及存在的主要問題 隔震 一至三十層，或高寬比不大于4 的建筑物，要求確保地震中絕對安全的結構物、橋梁、設備、儀器等 安全可靠，減震效果明顯，技術較為成熟，產(chǎn)品耐久性、穩(wěn)定性較好，設計計算方法成熟 消能減震 水平剛度較小的多高層建筑、塔架、大跨度橋梁、管線等 安全可靠，減震效果明顯，技術較為成熟，設計計算方法成熟 質(zhì)量調(diào)諧 主振型較為明顯的穩(wěn)定的多高層、超高層建筑、塔架、大跨度橋梁等 技術基本成熟，設計計算需要進一步研究 主動控制 對抗風要求較高的建筑 技術尚待完善，運行費用較高 混合控制及半主動控制 多種不同類型、不同要求的建筑物 組合合理可以達到較好的效果 圖表2 與傳統(tǒng)抗震結構相比，消能減震結構具有以下特點和優(yōu)勢： （1） 消能減震結構更為安全。從消能角度來看，傳統(tǒng)抗震結構的消能構件就是主體結構構件本身，如框架結構中的框架梁等。由于地震的隨機性和結構在設計、計算和施工方面出現(xiàn)的誤差，結構在地震中的破壞位置和破壞程度通常難以精確控制。特別是在罕遇地震下，難以保證承重結構構件的安全。消能減震結構中專門設置的非承重消能構件或者效能裝置能大量消耗地震能量，減小結構的地震反應，從而有效保護主體結構的承重構件。 （2） 消能減震結構在某些情況下可能更經(jīng)濟且性能更優(yōu)越。按照傳統(tǒng)抗震措施，只能通過加大構件截面來提高結構抗震承載能力，然而增加構件截面導致結構剛度增加，和結構所承受的荷載力也隨之增加，有可能需要進一步加大截面，最終導致結構造價過高。消能減震結構中承重構件和消能構件的分工明確，通過消能構件減小結構的地震作用，從而減小主體結構構件的截面尺寸和配筋，同時還可以提高結構的抗震安全度。采用消能減震結構體系，對于新建建筑在某些情況下可以節(jié)省5%---10%的造價；對于既有建筑結構采用消能減震技術進行抗震加固，可減少現(xiàn)場濕作業(yè)量和對非結構構件的破壞，通常情況下可以節(jié)省10%---15%的造價。 （3） 消能減震結構由于增設了消能器，很大程度上降低了主體結構的地震反應，因而容易實現(xiàn)比普通抗震結構更高的抗震性能。 4 結論 回望歷史，每次突發(fā)大地震帶來的破壞都是觸目驚心的，抗震減災事業(yè)不能止步，有更遠的路要走。隔震與消能減震是減輕建筑結構地震災害的新技術，與傳統(tǒng)的抗震技術比較，更具有安全有效、適用、機理明確、效果顯著、安全可靠等諸多優(yōu)點，為減輕建筑在地震中所受的破壞提供了一條行之有效的新途徑。 參考文獻 [1]潘鵬.建筑結構消能減震設計與案例[M]北京：清華大學出版社，2014. [2]徐立成，鐘心，劉曉群，等.建筑結構隔震減震技術的發(fā)展與應用[J]遼寧建材 [3]李暉霞.淺談隔震與消能減震設計[J]任丘：華北石油設計，2002. [4]唐家祥.建筑隔震與消能減震設計[J]北京：建筑科學 [5]鄧云飛.消能減震技術探討[Z] [6]工程結構的隔震與消能減震[Z]