關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)及減震技術(shù)的探討

何弦

（中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計研究院，重慶 400016）

1 建筑結(jié)構(gòu)的含義

建筑結(jié)構(gòu)是指在建筑物中，由建筑材料做成用來承受各種荷載或者作用，以起骨架作用的空間受力體系。建筑結(jié)構(gòu)因所用的建筑材料不同，可分為混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、輕型鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)等。建筑結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)中常見結(jié)構(gòu)受力體系類型及施工方法：（1）混合結(jié)構(gòu)：磚混或磚木塊材砌筑墻體、梁柱鋼接而成的受力體系，預(yù)制柱、梁、板裝配；現(xiàn)澆混凝土柱、梁，預(yù)制板；全現(xiàn)澆鋼筋混凝土。（2）框架剪力墻結(jié)構(gòu)：現(xiàn)澆混凝土墻，現(xiàn)澆混凝土柱、梁，現(xiàn)澆板剪力墻結(jié)構(gòu)：全裝配大板；內(nèi)澆外掛；全現(xiàn)澆。

建筑結(jié)構(gòu)的影響因素：機(jī)械是建筑工程施工中不可或缺的重要工具，建筑機(jī)械包括原材料、輔助材料和水泥攪拌中使用的器具；而且機(jī)械質(zhì)量的好壞會最終關(guān)系整個施工質(zhì)量的結(jié)果。即使原材料的質(zhì)量通過了嚴(yán)格的監(jiān)測過程，但是如果沒有精確地加工機(jī)械器具，也是會浪費(fèi)原材料，造成殘缺的次品，阻礙了建筑工程項目。所以，高質(zhì)量的材料加工機(jī)械不僅要求原材料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而且需要加工器具的保證。因為，質(zhì)量是建筑工程項目的命脈。

2 關(guān)于地震

2.1 地震的概念

地震是一種常見的自然現(xiàn)象，它的發(fā)生往往會伴有破壞性。通常來講，地震又稱地動、地振動，是地殼劇烈運(yùn)動時產(chǎn)生并釋放能量的一種方式，在能量釋放過程中會造成地表的振動，期間會產(chǎn)生地震波的一種自然現(xiàn)象。地震常常造成嚴(yán)重人員傷亡，能引起火災(zāi)、水災(zāi)、有毒氣體泄漏、細(xì)菌及放射性物質(zhì)擴(kuò)散，還可能造成海嘯、滑坡、崩塌、地裂縫等次生災(zāi)害。

2.2 現(xiàn)實情況

據(jù)資料統(tǒng)計，全世界每年大約發(fā)生500萬次地震，而且大多數(shù)地震都需靈敏的儀器才能測量到，而人能直接感知的也就大約占1%左右。我國是多地震的國家，地震區(qū)分布廣大，地震的發(fā)生給人民生命財產(chǎn)帶來了巨大損失。這就要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有足夠的承載力和塑性變形能力。而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震是依靠結(jié)構(gòu)自身的抵抗能力，讓建筑物基礎(chǔ)固結(jié)于地面，但地震反應(yīng)的特點是由底向上逐漸放大，為了保證建筑物的安全，提高結(jié)構(gòu)的承載力，必須加大構(gòu)件的截面，這樣既造成了較多的材料消耗，也使建筑物自重增大，得不償失。隔震和耗能減震是建筑結(jié)構(gòu)減輕地震災(zāi)害的新技術(shù)、新方法和新途徑。所謂隔震就是立足于“隔”，利用專門的隔震元件，以集中發(fā)生在隔震層的較大位移為代價，阻隔地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，使建筑物有更高的可靠性和安全性。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中增加了“隔震與消能減震”的相關(guān)內(nèi)容，說明我國正日益重視隔震與耗能減震技術(shù)與理論的研究，并致力于該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

2.3 隔震與消能減震設(shè)計原理

由震源產(chǎn)生地震動，通過傳播途徑傳遞到結(jié)構(gòu)上，從而引起結(jié)構(gòu)的震動反應(yīng)。通過在不同階段采取震動方法控制措施，就成為不同的積極抗震方法。大致包括：

（1）震源→消震消震是通過減弱震源震動強(qiáng)度達(dá)到減小結(jié)構(gòu)震動的方法，由于地震源難以確定，且其規(guī)模宏大，目前還沒有有效可行的措施將震源強(qiáng)度減弱到預(yù)定的水平。（2）傳播途徑→隔震隔震是通過某種裝置將地震與結(jié)構(gòu)隔開，其作用是減弱和改變地震動時結(jié)構(gòu)作用的強(qiáng)度和方式，以此達(dá)到減少結(jié)構(gòu)震動的目的。隔震方法主要有基底隔震和懸掛隔震兩種。（3）反應(yīng)→主動減震主動減震是根據(jù)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，通過地震系統(tǒng)地執(zhí)行機(jī)，主動給結(jié)構(gòu)施加控制力，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)震動的目的。

這種積極的結(jié)構(gòu)抗震方法與傳統(tǒng)的消極抗震方法相比，有以下優(yōu)點：

（1）能大大減小結(jié)構(gòu)所收得的地震作用，從而可減低結(jié)構(gòu)造價，提高結(jié)構(gòu)抗?fàn)幍目煽慷?。?）能大大減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形，保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不受地震破壞，從而減少震后維修費(fèi)用。（3）隔震、減震裝置即使震后產(chǎn)生較大的永久變形或損壞，其復(fù)位、更換、維修結(jié)構(gòu)構(gòu)件方便、經(jīng)濟(jì)。

2.3.1 設(shè)計原理

隔震設(shè)計是指在房屋底部設(shè)置由橡膠隔震支座和阻尼器等部件組成的隔震層，以延長整個結(jié)構(gòu)體系的自振周期，增大阻力，減少輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期的防震要求。即通過隔震層的大變形來減少上部結(jié)構(gòu)的地震作用，減輕地震破壞程度，使建筑物只發(fā)生輕微運(yùn)動和變形，從而保障建筑物的安全，隔震一般可使結(jié)構(gòu)的水平地萬方數(shù)據(jù)震加速度反應(yīng)降低60%左右。典型的橡膠墊隔震減震器是一層橡膠一層鋼板的多層反復(fù)重疊，并在其中心部位鉆孔，安放鉛芯棒所組合而成的裝置。我國較成熟的隔震支座包括中硬度橡膠隔震支座、低硬度橡膠支座、滑板支座和彈性滑板支座等。

其它隔震方法：（1）鉛芯橡膠支座這樣就使支座具有足夠的初始剛度，在風(fēng)荷來和制動力等常見載荷作用下保持具有足夠的剛度，以滿足正常使用要求，但強(qiáng)地震發(fā)生時，裝置柔性滑動，體系進(jìn)入消能狀態(tài)。（2）滾珠（或滾軸）隔震有自復(fù)位能力的；有加銅拉桿風(fēng)穩(wěn)定裝置；橫向油壓千斤頂位的。另外，還有加消能裝置的，消能裝置有軟消能桿剪，鉛擠壓消能器，油阻尼器，光阻尼器等。（3）滑動支座隔震上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置相互滑動的滑板。風(fēng)載、制動力或小震時，靜摩擦力使結(jié)構(gòu)固結(jié)于基礎(chǔ)上；大震時；結(jié)構(gòu)水平滑動，減小地震作用，并以其摩擦阻尼消耗地震能源。

2.3.2 產(chǎn)生的作用

隔震能使結(jié)構(gòu)的基本周期延長，以避開地震動的卓越周期，明顯地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，使上部結(jié)構(gòu)處于正常的彈性工作狀態(tài)。隔震體系抗震措施簡單明了，還能降低房屋造價，而且震后修復(fù)方便，震后只需對隔震裝置進(jìn)行必要的檢查更換，有明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 隔震與消能減震的設(shè)計步驟

隔震方案的確定應(yīng)綜合考慮建筑物高度和層數(shù)、最大高寬比、結(jié)構(gòu)類型、場地等因素。隔震技術(shù)對體型基本規(guī)則的低層和多層建筑比較有效，對高層建筑的效果不大。

3.1 確定隔震層位置

隔震層宜設(shè)置在結(jié)構(gòu)第一層以下的部位，橡膠隔震支座設(shè)置在受力較大的位置，其規(guī)格、數(shù)量和分布根據(jù)豎向承載力、側(cè)向剛度和阻尼的要求通過計算確定。隔震層在罕遇地震下應(yīng)保持穩(wěn)定，不宜出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形。

3.2 隔震支座的選型、布置

由上部結(jié)構(gòu)計算出每個支座上的軸向力，確定出每個支座的直徑，進(jìn)行隔震支座的平面布置，隔震支座布置時應(yīng)力求使質(zhì)量中心和剛度中心一致。

[1]豐定國，王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003.

[2]高小旺，龔思禮.建筑抗震設(shè)計規(guī)范理解與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[3]薛素鐸，趙均.建筑抗震設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社.