浅述建筑结构减震与消能减震设计.doc

浅述建筑结构隔震与消能减震设计崔XX XX理工大学XX学院XX学员大队 江苏XX 02XXXX 内容摘要 摘要：本文对建筑结构“隔震”与“消能减震”设计的基本原理及其特点进行简要的介绍和说明，并对结构抗震设计、隔震设计和消能减震设计进行分析和对比，供初学者参考。主题词：抗震设计 隔震设计 消能减震设计1 引言 地震是一种突发性的破坏性极强的自然灾害，罕遇的大地震会给建筑物及构筑物造成极大的破坏，造成极大的人员伤亡和经济财产损失。回顾21世纪发生的几次大地震如尼泊尔大地震，汶川大地震，智利地震等无一不对人们和社会造成不可估量的破坏和损失。当前的科技水平尚无法预测地震的到来，未来相当长的一段时间内，地震也是无法预测的。而且即使做到了震前预报，如果工程设施的抗震性能薄弱，也难以避免经济损失。地震时不可控的，但工程结构是可控的，因此，实施有效的抗震设防是当前防震抗灾的关键性工作，而隔震和消能减震技术在建筑结构中应得到广泛应用。传统的建筑结构抗震设计是依靠增加结构的强度、刚度和延性来增加结构各构件的承载力和变形能力来抵御地震作用，来实现“大震不倒，中震可修，小震不坏”的防御目标，立足于“抗”，是一种消极的设计方法。随着科技水平的发展和传统抗震结构在地震中的表现，传统建筑结构抗震设计暴露出很多问题，不能满足现代建筑在抗震设防方面的需求。所以抗震减灾事业的发展，不能局限于传统的建筑结构抗震设计，更应该搭上科技创新的这辆快车，用新技术来提高和改善建筑物的抗震性能。在建筑物中设置隔震层和消能减震装置来减轻地震的破坏这种新型结构体系就是其中之一。本文就这一新结构体系做一简要阐述。2 “隔震设计”与“消能减震设计”的基本设计原理2.1 隔震设计“隔震”即隔离地震，分为基础隔震和层间隔震。在建筑物适当部位设置隔离装置，切断或削弱地面运动向上部结构的传递，并提供适当的阻尼，从而使上部结构的地震作用大大降低，耗能能力加强，达到预期的防震要求。如叠层橡胶垫支座、高阻尼橡胶垫支座、滑移隔震支座和混合隔震装置等。2.2 消能减震设计 消能减震技术是把结构物某些部位（如支撑、剪力墙、连接缝或连接件）设置耗能阻尼器，通过该装置产生摩擦，弯曲（或剪切、扭转）弹塑性（或粘弹性）直回变形来耗散或吸收地震输入结构的能量，以减小主体结构的地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控制的目的。在消能减震结构体系中，消能（阻尼）装置在主体结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，消耗掉输入机构体系的大量地震能量，式结构本身需消耗的能量很少，这意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，使其不受到损伤或破坏。3 “隔震设计”、“消能减震设计”与传统抗震设计的区别3.1 “隔震设计”、“消能减震设计”与传统抗震设计的比较对于一般的抗震结构，为保证在遭受不可预见的强烈地震时，结构不致产生严重的破坏和倒塌，其抗震设计原则是允许结构中的部分次要构件产生一定的塑性损伤变形，利用结构的延性和塑性变形来耗散地震输入能量，防止结构倒塌。这种设计方法根据结构中不同构件的重要程度，人为在结构中设置薄弱环节，控制结构在罕遇地震下的损伤破坏机制，使结构的破坏模式按照设计人员的意愿出现，从而尽可能避免强震下结构出现预想之外的破坏。这种抗震理念和设计方法完全依靠结构构件自身的强度和塑性变形能力来抵抗地震作用，是所谓的“硬抗”地震的方法。传统抗震设计存在以下几个方面的问题：（1) 结构的安全性难以保证 传统抗震方法以既定的“设防烈度”作为设计依据，由于地震的随机性，建筑结构的破坏程度及倒塌的可能性难以控制，当发生突发性超烈度地震时，房屋可能严重破坏。 （2）建筑费用成本大大增加传统方法是在设计时提高材料的强度，增加构件（结构）刚度，其结果是断面越大，刚度越大，使用面积减少，建筑物自重增大，地震作用随之增大。（3） 适用范围受到限制传统抗震方法采用的是延性结构体系，允许结构部件在强震时发生较大的塑性变形，以消耗地震能量，减轻地震反应，这种方法对于某些不容许在地震中出现破坏的结构、或内部有贵重装饰、重要设备仪器的结构是不适用的。（4） 施工难度大结构构件和节点的钢筋配置过密，9度区甚至无法排布。（5） 建筑的高度受到限制等。房屋结构的隔震设计是在建筑物基础与上部结构之间设置有隔震器和阻尼器等组成的隔离层，隔离地震能量向上部结构传播减少输入上部结构的地震能量，减轻上部结构的地震反应。 地震时，隔震结构的震动和变形均可只控制在较轻微的水平，从而使建筑物的安全得到更可靠的保证。隔震器的作用是支承建筑物重量、调频滤波，阻尼器的作用是消耗地震能量、控制个阵曾变形。隔震体系能够减小结构的水平地震作用，已被理论和国外强震记录证实。国内外的大量实验和工程经验表明：“隔震”一般可使结构的水平地震作用降低60%左右，从而有效减轻或消除结构和非结构的地震破坏，提高建筑物及其内部设施、人员在地震中的安全性，增加震后建筑物继续使用的能力。下表列出了隔震设计和传统抗震设计在设计理念上的区别。 图表1：抗震房屋和隔震房屋设计理念对比 抗震房屋 隔震房屋 结构体系 上部结构和基础牢牢连接 削弱上部结构与基础的有关连接 科学思想 提高结构自身的抗震能力 隔离地面能量向建筑物输入 方法措施 强化结构刚度和延性 滤波 图表1 对于消能减震结构，采用的是减震控制的设计思想，即：通过附加消能减震装置与原系统组成一个新的系统，原结构和附加的消能减震装置均为这一新结构系统的子结构。这一新结构的动力特性和消能能力与原结构相比有较大变化，附加的消能减震装置使原结构承受的地震作用显著减小，从而达到控制结构地震反应的目的，减轻结构的损伤程度。减震技术主要包括消能减震、隔震减震、质量调谐减震和主动控制减震。下表给出各种控制技术的比较。 表2：各种减震技术的比较 控制技术 应用范围 特点及存在的主要问题 隔震一至三十层，或高宽比不大于4 的建筑物，要求确保地震中绝对安全的结构物、桥梁、设备、仪器等安全可靠，减震效果明显，技术较为成熟，产品耐久性、稳定性较好，设计计算方法成熟 消能减震水平刚度较小的多高层建筑、塔架、大跨度桥梁、管线等安全可靠，减震效果明显，技术较为成熟，设计计算方法成熟 质量调谐主振型较为明显的稳定的多高层、超高层建筑、塔架、大跨度桥梁等技术基本成熟，设计计算需要进一步研究 主动控制对抗风要求较高的建筑技术尚待完善，运行费用较高混合控制及半主动控制 多种不同类型、不同要求的建筑物组合合理可以达到较好的效果 图表2 与传统抗震结构相比，消能减震结构具有以下特点和优势：（1） 消能减震结构更为安全。从消能角度来看，传统抗震结构的消能构件就是主体结构构件本身，如框架结构中的框架梁等。由于地震的随机性和结构在设计、计算和施工方面出现的误差，结构在地震中的破坏位置和破坏程度通常难以精确控制。特别是在罕遇地震下，难以保证承重结构构件的安全。消能减震结构中专门设置的非承重消能构件或者效能装置能大量消耗地震能量，减小结构的地震反应，从而有效保护主体结构的承重构件。（2） 消能减震结构在某些情况下可能更经济且性能更优越。按照传统抗震措施，只能通过加大构件截面来提高结构抗震承载能力，然而增加构件截面导致结构刚度增加，和结构所承受的荷载力也随之增加，有可能需要进一步加大截面，最终导致结构造价过高。消能减震结构中承重构件和消能构件的分工明确，通过消能构件减小结构的地震作用，从而减小主体结构构件的截面尺寸和配筋，同时还可以提高结构的抗震安全度。采用消能减震结构体系，对于新建建筑在某些情况下可以节省5%-10%的造价；对于既有建筑结构采用消能减震技术进行抗震加固，可减少现场湿作业量和对非结构构件的破坏，通常情况下可以节省10%-15%的造价。（3） 消能减震结构由于增设了消能器，很大程度上降低了主体结构的地震反应，因而容易实现比普通抗震结构更高的抗震性能。4 结论 回望历史，每次突发大地震带来的破坏都是触目惊心的，抗震减灾事业不能止步，有更远的路要走。隔震与消能减震是减轻建筑结构地震灾害的新技术，与传统的抗震技术比较，更具有安全有效、适用、机理明确、效果显著、安全可靠等诸多优点，为减轻建筑在地震中所受的破坏提供了一条行之有效的新途径。 参考文献1潘鹏.建筑结构消能减震设计与案例M北京：清华大学出版社，2014.2徐立成，钟心，刘晓群，等.建筑结构隔震减震技术的发展与应用J辽宁建材3李晖霞.浅谈隔震与消能减震设计J任丘：华北石油设计，2002.4唐家祥.建筑隔震与消能减震设计J北京：建筑科学5邓云飞.消能减震技术探讨Z6工程结构的隔震与消能减震Z