淺述建筑結(jié)構(gòu)減震與消能減震設(shè)計(jì).doc
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淺述建筑結(jié)構(gòu)減震與消能減震設(shè)計(jì).doc
淺述建筑結(jié)構(gòu)隔震與消能減震設(shè)計(jì)
崔XX XX理工大學(xué)XX學(xué)院XX學(xué)員大隊(duì) 江蘇XX 02XXXX
內(nèi)容摘要
摘要:本文對(duì)建筑結(jié)構(gòu)“隔震”與“消能減震”設(shè)計(jì)的基本原理及其特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹和說(shuō)明,并對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、隔震設(shè)計(jì)和消能減震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和對(duì)比,供初學(xué)者參考。
主題詞:抗震設(shè)計(jì) 隔震設(shè)計(jì) 消能減震設(shè)計(jì)
1 引言
地震是一種突發(fā)性的破壞性極強(qiáng)的自然災(zāi)害,罕遇的大地震會(huì)給建筑物及構(gòu)筑物造成極大的破壞,造成極大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。回顧21世紀(jì)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(wú)一不對(duì)人們和社會(huì)造成不可估量的破壞和損失。當(dāng)前的科技水平尚無(wú)法預(yù)測(cè)地震的到來(lái),未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),地震也是無(wú)法預(yù)測(cè)的。而且即使做到了震前預(yù)報(bào),如果工程設(shè)施的抗震性能薄弱,也難以避免經(jīng)濟(jì)損失。地震時(shí)不可控的,但工程結(jié)構(gòu)是可控的,因此,實(shí)施有效的抗震設(shè)防是當(dāng)前防震抗災(zāi)的關(guān)鍵性工作,而隔震和消能減震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)得到廣泛應(yīng)用。
傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是依靠增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和延性來(lái)增加結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的承載力和變形能力來(lái)抵御地震作用,,來(lái)實(shí)現(xiàn)“大震不倒,中震可修,小震不壞”的防御目標(biāo),立足于“抗”,是一種消極的設(shè)計(jì)方法。隨著科技水平的發(fā)展和傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)在地震中的表現(xiàn),傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)暴露出很多問題,不能滿足現(xiàn)代建筑在抗震設(shè)防方面的需求。所以抗震減災(zāi)事業(yè)的發(fā)展,不能局限于傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì),更應(yīng)該搭上科技創(chuàng)新的這輛快車,用新技術(shù)來(lái)提高和改善建筑物的抗震性能。在建筑物中設(shè)置隔震層和消能減震裝置來(lái)減輕地震的破壞這種新型結(jié)構(gòu)體系就是其中之一。本文就這一新結(jié)構(gòu)體系做一簡(jiǎn)要闡述。
2 “隔震設(shè)計(jì)”與“消能減震設(shè)計(jì)”的基本設(shè)計(jì)原理
2.1 隔震設(shè)計(jì)
“隔震”即隔離地震,分為基礎(chǔ)隔震和層間隔震。在建筑物適當(dāng)部位設(shè)置隔離裝置,切斷或削弱地面運(yùn)動(dòng)向上部結(jié)構(gòu)的傳遞,并提供適當(dāng)?shù)淖枘?,從而使上部結(jié)構(gòu)的地震作用大大降低,耗能能力加強(qiáng),達(dá)到預(yù)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(shè)計(jì)
消能減震技術(shù)是把結(jié)構(gòu)物某些部位(如支撐、剪力墻、連接縫或連接件)設(shè)置耗能
阻尼器,通過(guò)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(lái)耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)的能量,以減小主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞或倒塌,達(dá)到減震控制的目的。
在消能減震結(jié)構(gòu)體系中,消能(阻尼)裝置在主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)前率先進(jìn)入耗能工作狀態(tài),充分發(fā)揮耗能作用,消耗掉輸入機(jī)構(gòu)體系的大量地震能量,式結(jié)構(gòu)本身需消耗的能量很少,這意味著結(jié)構(gòu)反應(yīng)將大大減小,從而有效地保護(hù)了主體結(jié)構(gòu),使其不受到損傷或破壞。
3 “隔震設(shè)計(jì)”、“消能減震設(shè)計(jì)”與傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的區(qū)別
3.1 “隔震設(shè)計(jì)”、“消能減震設(shè)計(jì)”與傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的比較
對(duì)于一般的抗震結(jié)構(gòu),為保證在遭受不可預(yù)見的強(qiáng)烈地震時(shí),結(jié)構(gòu)不致產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞和倒塌,其抗震設(shè)計(jì)原則是允許結(jié)構(gòu)中的部分次要構(gòu)件產(chǎn)生一定的塑性損傷變形,利用結(jié)構(gòu)的延性和塑性變形來(lái)耗散地震輸入能量,防止結(jié)構(gòu)倒塌。這種設(shè)計(jì)方法根據(jù)結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件的重要程度,人為在結(jié)構(gòu)中設(shè)置薄弱環(huán)節(jié),控制結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的損傷破壞機(jī)制,使結(jié)構(gòu)的破壞模式按照設(shè)計(jì)人員的意愿出現(xiàn),從而盡可能避免強(qiáng)震下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)預(yù)想之外的破壞。這種抗震理念和設(shè)計(jì)方法完全依靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的強(qiáng)度和塑性變形能力來(lái)抵抗地震作用,是所謂的“硬抗”地震的方法。傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)存在以下幾個(gè)方面的問題:
(1) 結(jié)構(gòu)的安全性難以保證
傳統(tǒng)抗震方法以既定的“設(shè)防烈度”作為設(shè)計(jì)依據(jù),由于地震的隨機(jī)性,建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度及倒塌的可能性難以控制,當(dāng)發(fā)生突發(fā)性超烈度地震時(shí),房屋可能嚴(yán)重破壞。
(2)建筑費(fèi)用成本大大增加
傳統(tǒng)方法是在設(shè)計(jì)時(shí)提高材料的強(qiáng)度,增加構(gòu)件(結(jié)構(gòu))剛度,其結(jié)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(jié)構(gòu)體系,允許結(jié)構(gòu)部件在強(qiáng)震時(shí)發(fā)生較大的塑性變形,以消耗地震能量,減輕地震反應(yīng),這種方法對(duì)于某些不容許在地震中出現(xiàn)破壞的結(jié)構(gòu)、或內(nèi)部有貴重裝飾、重要設(shè)備儀器的結(jié)構(gòu)是不適用的。
(4) 施工難度大
結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的鋼筋配置過(guò)密,9度區(qū)甚至無(wú)法排布。
(5) 建筑的高度受到限制等。
房屋結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)是在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)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(jié)構(gòu)傳播減少輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量,減輕上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。 地震時(shí),隔震結(jié)構(gòu)的震動(dòng)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(gè)陣曾變形。
隔震體系能夠減小結(jié)構(gòu)的水平地震作用,已被理論和國(guó)外強(qiáng)震記錄證實(shí)。國(guó)內(nèi)外的大量實(shí)驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)表明:“隔震”一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震作用降低60%左右,從而有效減輕或消除結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的地震破壞,提高建筑物及其內(nèi)部設(shè)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(shè)計(jì)和傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)理念上的區(qū)別。
圖表1:抗震房屋和隔震房屋設(shè)計(jì)理念對(duì)比
抗震房屋
隔震房屋
結(jié)構(gòu)體系
上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)牢牢連接
削弱上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的有關(guān)連接
科學(xué)思想
提高結(jié)構(gòu)自身的抗震能力
隔離地面能量向建筑物輸入
方法措施
強(qiáng)化結(jié)構(gòu)剛度和延性
濾波
圖表1
對(duì)于消能減震結(jié)構(gòu),采用的是減震控制的設(shè)計(jì)思想,即:通過(guò)附加消能減震裝置與原系統(tǒng)組成一個(gè)新的系統(tǒng),原結(jié)構(gòu)和附加的消能減震裝置均為這一新結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的子結(jié)構(gòu)。這一新結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和消能能力與原結(jié)構(gòu)相比有較大變化,附加的消能減震裝置使原結(jié)構(gòu)承受的地震作用顯著減小,從而達(dá)到控制結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的,減輕結(jié)構(gòu)的損傷程度。
減震技術(shù)主要包括消能減震、隔震減震、質(zhì)量調(diào)諧減震和主動(dòng)控制減震。下表給出各種控制技術(shù)的比較。
表2:各種減震技術(shù)的比較
控制技術(shù)
應(yīng)用范圍
特點(diǎn)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(duì)安全的結(jié)構(gòu)物、橋梁、設(shè)備、儀器等
安全可靠,減震效果明顯,技術(shù)較為成熟,產(chǎn)品耐久性、穩(wěn)定性較好,設(shè)計(jì)計(jì)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(shù)較為成熟,設(shè)計(jì)計(jì)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(shù)基本成熟,設(shè)計(jì)計(jì)算需要進(jìn)一步研究
主動(dòng)控制
對(duì)抗風(fēng)要求較高的建筑
技術(shù)尚待完善,運(yùn)行費(fèi)用較高
混合控制及半主動(dòng)控制
多種不同類型、不同要求的建筑物
組合合理可以達(dá)到較好的效果
圖表2
與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比,消能減震結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):
(1) 消能減震結(jié)構(gòu)更為安全。從消能角度來(lái)看,傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的消能構(gòu)件就是主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身,如框架結(jié)構(gòu)中的框架梁等。由于地震的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、計(jì)算和施工方面出現(xiàn)的誤差,結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全。消能減震結(jié)構(gòu)中專門設(shè)置的非承重消能構(gòu)件或者效能裝置能大量消耗地震能量,減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),從而有效保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件。
(2) 消能減震結(jié)構(gòu)在某些情況下可能更經(jīng)濟(jì)且性能更優(yōu)越。按照傳統(tǒng)抗震措施,只能通過(guò)加大構(gòu)件截面來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗震承載能力,然而增加構(gòu)件截面導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度增加,和結(jié)構(gòu)所承受的荷載力也隨之增加,有可能需要進(jìn)一步加大截面,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)造價(jià)過(guò)高。消能減震結(jié)構(gòu)中承重構(gòu)件和消能構(gòu)件的分工明確,通過(guò)消能構(gòu)件減小結(jié)構(gòu)的地震作用,從而減小主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和配筋,同時(shí)還可以提高結(jié)構(gòu)的抗震安全度。采用消能減震結(jié)構(gòu)體系,對(duì)于新建建筑在某些情況下可以節(jié)省5%---10%的造價(jià);對(duì)于既有建筑結(jié)構(gòu)采用消能減震技術(shù)進(jìn)行抗震加固,可減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量和對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞,通常情況下可以節(jié)省10%---15%的造價(jià)。
(3) 消能減震結(jié)構(gòu)由于增設(shè)了消能器,很大程度上降低了主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),因而容易實(shí)現(xiàn)比普通抗震結(jié)構(gòu)更高的抗震性能。
4 結(jié)論
回望歷史,每次突發(fā)大地震帶來(lái)的破壞都是觸目驚心的,抗震減災(zāi)事業(yè)不能止步,有更遠(yuǎn)的路要走。隔震與消能減震是減輕建筑結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害的新技術(shù),與傳統(tǒng)的抗震技術(shù)比較,更具有安全有效、適用、機(jī)理明確、效果顯著、安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn),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。
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