云南隔震建筑與消能減振結(jié)構(gòu)的發(fā)展研究★

劉德穩(wěn) 楊杰 賈強(qiáng)

云南隔震建筑與消能減振結(jié)構(gòu)的發(fā)展研究★

劉德穩(wěn) 楊杰 賈強(qiáng)

從隔震建筑、消能減振結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震建筑對(duì)比出發(fā),闡述了這些新技術(shù)的原理和國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,并對(duì)云南省在這方面的研究發(fā)展進(jìn)行了分析和討論,分析表明,隔震建筑和消能減振結(jié)構(gòu)在高烈度地震區(qū)能有效的保護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

隔震,消能減振,以柔克剛

2008年的汶川大地震使震中及周邊地區(qū)無數(shù)建筑物倒塌、損壞,然而位于地震影響區(qū)內(nèi)、采用了隔震技術(shù)的甘肅隴南武都區(qū)的北山郵政職工宿舍樓幾乎沒受什么影響,樓內(nèi)住戶普遍反映感覺震感較小,屋內(nèi)家具、廚具和懸掛的裝飾物均無翻倒現(xiàn)象,而其相鄰的非隔震樓房則不同程度的發(fā)生了墻體開裂、墻面粉刷脫落,屋內(nèi)家具、電器設(shè)備、廚具等翻倒情況嚴(yán)重,村鎮(zhèn)的房屋甚至有倒塌現(xiàn)象。近年來,隔震與消能減震建筑逐漸成為熱點(diǎn),而處于高烈度區(qū)的云南省也正在積極推廣這些新技術(shù)。

1 隔震結(jié)構(gòu)與消能減振結(jié)構(gòu)的原理

基于傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)提出的抗震設(shè)計(jì)思想以“小震不壞、設(shè)防烈度可修、大震不倒”三水準(zhǔn)為設(shè)防目標(biāo),建筑結(jié)構(gòu)依靠結(jié)構(gòu)的變形來吸收并消耗地震能量。在結(jié)構(gòu)遭遇到中、小型地震時(shí),依靠結(jié)構(gòu)吸收并消耗地震能量是可行的。然而,當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)遭遇到大地震或特大罕遇地震時(shí),完全依靠結(jié)構(gòu)難以吸收并消耗巨大的地震能量。因此,雖然采用了嚴(yán)格的設(shè)計(jì),在遇到超過規(guī)范設(shè)計(jì)要求的大地震或特大地震時(shí)仍無法確保結(jié)構(gòu)安全,尋求有別于傳統(tǒng)抗震體系的新體系成了眾多學(xué)者的研究目標(biāo)。

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)體系通過設(shè)置隔震層,將結(jié)構(gòu)分為上部結(jié)構(gòu)、隔震層和下部結(jié)構(gòu)三部分,地震能量經(jīng)由下部結(jié)構(gòu)傳到隔震層,由隔震層的隔震裝置吸收并消耗主要地震能量后,僅有少部分能量傳到上部結(jié)構(gòu)。隔震層的設(shè)置改變了上部結(jié)構(gòu)的周期,降低了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),確保上部結(jié)構(gòu)在大地震時(shí)仍可處于彈性狀態(tài),或保持在彈塑性變形狀態(tài)的初期狀態(tài)。傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)是以自身的承載能力與塑性變形能力與地震“硬碰硬”對(duì)抗,屬于“以剛克剛”。而耗能減振結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件中設(shè)置耗能部件,當(dāng)結(jié)構(gòu)承受地震作用時(shí),耗能構(gòu)件或耗能裝置產(chǎn)生彈塑性滯回變形,吸收并消耗地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量,以減少主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),達(dá)到減震控震的目的,屬于“以柔克剛”。具體的說,就是把結(jié)構(gòu)的某些部位(層間、空間、節(jié)點(diǎn)、連接縫等)安裝消能裝置,在小風(fēng)或者小震下,這些消能桿件(或消能裝置)和結(jié)構(gòu)共同工作,結(jié)構(gòu)本身處于彈性狀態(tài)并滿足正常使用要求;在大震或強(qiáng)風(fēng)下,隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大,消能桿件(或消能裝置)產(chǎn)生較大阻尼,大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振能量,使結(jié)構(gòu)的動(dòng)能或者變形能轉(zhuǎn)化成熱能等形式耗散掉,迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振反應(yīng),使主體結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài)(結(jié)構(gòu)仍然處于彈性狀態(tài)或者雖然進(jìn)入彈塑性狀態(tài),但不發(fā)生危及生命和喪失使用功能的破壞)。

2 國(guó)內(nèi)外隔震、消能減振結(jié)構(gòu)發(fā)展情況

20世紀(jì) 70年代,新西蘭學(xué)者Robinson W H研發(fā)出鉛芯橡膠支座后,基礎(chǔ)隔震技術(shù)才開始逐步受到人們的關(guān)注,世界第一幢隔震建筑是南斯拉夫的一個(gè) 3層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),采用了天然橡膠支座。此后,隔震理論和技術(shù)不斷發(fā)展,日本、新西蘭、美國(guó)等國(guó)家在隔震方面取得的成就尤為突出。2003年落成的日本大阪楠葉塔樓城最高部分達(dá)到 136.8m,是目前在建的應(yīng)用基礎(chǔ)隔震技術(shù)的最高建筑物。20世紀(jì) 70年代,美國(guó)學(xué)者 Killy提出了在結(jié)構(gòu)中設(shè)置非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能元件——金屬軟鋼屈服耗能器,包括扭轉(zhuǎn)梁、彎曲梁和U型鋼器件,分擔(dān)和耗散本來由結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗散的振動(dòng)能量,這就是最初的結(jié)構(gòu)被動(dòng)消能減震方法;20世紀(jì) 50年代,日本學(xué)者 Kobori提出了主動(dòng)變剛度的地震反應(yīng)控制思想;1972年,美籍華裔學(xué)者 J.T.P.Yao教授將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于結(jié)構(gòu)控制,提出了土木工程結(jié)構(gòu)控制的概念,從而開始了土木工程結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的理論和試驗(yàn)研究;近年來,智能材料和結(jié)構(gòu)的發(fā)展成為結(jié)構(gòu)減振控制的一個(gè)新發(fā)展方向。

我國(guó)在隔震、消能減振方面起步雖較日本、美國(guó)晚,但發(fā)展迅速,全國(guó)各地也涌現(xiàn)出了一批代表性建筑。在隔震方面,汕頭陵海路的隔震居民樓、廣州大學(xué)行政辦公樓等現(xiàn)有隔震建筑都為促進(jìn)隔震結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了很好的素材,特別是汶川地震后,綿竹遵道學(xué)校教學(xué)樓、彭州白鹿鎮(zhèn)政務(wù)中心、都江堰向峨鄉(xiāng)政務(wù)中心大樓等新建建筑也紛紛采用隔震技術(shù),在成都甚至出現(xiàn)了高層隔震建筑群——?jiǎng)P德豐尚住宅社區(qū)。在消能減振方面,已建成的同濟(jì)大學(xué)新土木樓、上海環(huán)球金融中心等都是很好的實(shí)例,都江堰北街小學(xué)實(shí)驗(yàn)外國(guó)語學(xué)校藝術(shù)大樓也使用阻尼器進(jìn)行震后加固;隨著理論的不斷發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步,將有更多的隔震和消能減振建筑在我國(guó)出現(xiàn)。

3 云南省隔震、消能減振結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀和前景分析

云南位于印度洋板塊與歐亞板塊碰撞帶東側(cè),全省各地全部為 6度及 6度以上設(shè)防,其中 7度以上設(shè)防的地區(qū)占到 84%,部分地區(qū)處于斷裂帶上,有 3個(gè)地區(qū)是 9度設(shè)防區(qū)。所以如何有效地保障人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全,是過去、現(xiàn)在和將來都要面臨的重要問題。幸運(yùn)的是云南省正在積極推進(jìn)隔震和消能減振技術(shù)的應(yīng)用。1993年 8月,和志強(qiáng)省長(zhǎng)率省政府代表團(tuán)出訪馬來西亞,與馬方簽訂合作意向書,聯(lián)合開發(fā)防震技術(shù)和材料;12月,“隔震橡膠支座開發(fā)研究”被列入云南省政府重點(diǎn)“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目。隔震橡膠支座開發(fā)研究項(xiàng)目于 1998年通過了省科委驗(yàn)收,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,1999年評(píng)為科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。所研發(fā)的橡膠支座具有豎向承載能力大、水平剛度大,控制位移能力強(qiáng)、支座屈服剛度大、支座的耐老化性能好,使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。由于該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景,產(chǎn)品優(yōu)越、質(zhì)量可靠、技術(shù)成熟,1999年云南省建設(shè)廳下達(dá)了“關(guān)于在抗震設(shè)防區(qū)優(yōu)先采用我省生產(chǎn)的隔震橡膠支座的通知”文件(云建科[1999]第 667號(hào)),并在省建設(shè)廳“十五”計(jì)劃中要求：在高設(shè)防烈度區(qū),應(yīng)用隔震技術(shù)的新建建筑要達(dá)到總新建建筑的10%。2008年,由云南省地震工程研究院和北京市建筑設(shè)計(jì)研究院牽頭,國(guó)內(nèi)多家科研院校及新西蘭、日本等國(guó)內(nèi)外知名專家組成的研究團(tuán)體克服重重困難,采用混合隔震設(shè)計(jì)方法,成功研發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大直徑、大位移橡膠隔震支座,并首次將此減隔震技術(shù)和新品應(yīng)用于國(guó)家重大建設(shè)工程,建筑抗震性能大幅提高,功能得到優(yōu)化,技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。云南省人民政府印發(fā)云南省防震減災(zāi)“十一五”規(guī)劃中提出加強(qiáng)各類建設(shè)和加固工程的抗震設(shè)計(jì)與施工管理;建設(shè)、地震及相關(guān)部門和單位要高度重視重要隱患排查和抗震加固工作,發(fā)展抗震加固技術(shù),開發(fā)和推廣應(yīng)用隔震、減振新技術(shù),進(jìn)行城市地震安全示范工程建設(shè)。

云南省也涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的隔震和消能減振建筑。在隔震方面,已經(jīng)建成的隔震建筑在地震中表現(xiàn)出了良好的性能,如1995年云南武定 6.5級(jí)地震,地震發(fā)生時(shí),大理震感強(qiáng)烈,而橡膠墊隔震建筑——大理州交通指揮中心大樓中的大多數(shù)人沒有感覺;已建成的云南民航麗江賓館、思茅行政中心,在建的普洱市行政中心辦公樓也采用了隔震技術(shù);在 9度設(shè)防區(qū)的東川的軟地層上,也建成了采用隔震技術(shù)的泰隆宏瑞酒店;昆明新機(jī)場(chǎng)航站樓采用了近 2 000個(gè)橡膠隔震支座,建成后將成為全球最大單體隔震建筑,同時(shí)昆明新機(jī)場(chǎng)采用了先進(jìn)的阻尼器,輔助隔震設(shè)備來消耗地震能量;由于隔震理論近來發(fā)展的比較成熟,也在大量實(shí)際工程中得到了應(yīng)用,所以云南省在隔震建筑方面已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成就,但是在消能減振方面,由于理論的發(fā)展還在迅速進(jìn)行,全國(guó)所用的實(shí)際工程也遠(yuǎn)少于隔震建筑,所以云南在消能減振建筑方面也還在研究和探索中,相信這種先進(jìn)的對(duì)付地震的方法,一定會(huì)在云南省更多的出現(xiàn)。

綜上所述,建筑隔震和消能減振技術(shù)是近年來發(fā)展的新技術(shù),我國(guó)應(yīng)該加大對(duì)研究的投資力度和實(shí)際工程的推廣力度;對(duì)于云南省,應(yīng)該有效的利用國(guó)內(nèi)外研究成果,通過政府、專家的心血,大力推廣這些新技術(shù)的使用,使更多的安全建筑聳立在高烈度地震區(qū)。

[1]周福霖.工程結(jié)構(gòu)減振控制[M].北京：地震出版社,1997.

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[3]李愛群.工程結(jié)構(gòu)減振控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[4]周 云.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

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[6]劉文光.隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：地震出版社,2006.

Development research on seism ic-isolated building and energy dissipation and seism ic protection structure in Yunnan p rovince

LIU De-w en YANG Jie JIA Qiang

Starting from the comparison among seismic-isolated building,energy dissipation and seismic p rotection structure,and traditional seism ic-resistant building,this thesis expounds thep rinciples of these new technologies and their developmentstatus athomeand abroad,analyzes and discusses the development research in this aspect in Yunnan province.Analysis result shows that：seismic-isolated building and energy dissipation and seismic protection structure can effectively protect the safety of life and property.

seism ic-isolation,energy dissipation and seism ic protection,roll with the punches

TU973.31

A

1009-6825(2011)03-0019-02

2010-10-01 ★：森林工程特色專業(yè)(項(xiàng)目編號(hào)：501035),省級(jí)結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)教學(xué)示范中心(項(xiàng)目編號(hào)：501042),校級(jí)森林工程重點(diǎn)學(xué)科(項(xiàng)目編號(hào)：47002801)共同贊助

劉德穩(wěn)(1983-),男,碩士,助教,西南林業(yè)大學(xué)交通機(jī)械與土木工程學(xué)院,云南昆明 650224

楊 杰(1981-),女,碩士,助教,四川廣播電視大學(xué)教學(xué)處,四川 成都 610073

賈 強(qiáng)(1983-),男,碩士,助教,中華女子學(xué)院,北京 100010