建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與隔震技術(shù)應(yīng)用研究

王靜

摘 要：本文以建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與隔震技術(shù)應(yīng)用為研究視角，分析我國(guó)在建筑領(lǐng)域防御地震方面經(jīng)歷的主要階段，通過(guò)目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有隔震工程的應(yīng)用案例分析，提出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與隔震技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑及方法，研究成果將形成建筑業(yè)的核心技術(shù)，從而形成建筑業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，有利于建筑業(yè)進(jìn)一步開(kāi)拓與鞏固市場(chǎng)，具有良好市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；隔震技術(shù)；應(yīng)用分析；實(shí)現(xiàn)路徑

中圖分類號(hào)：TU352 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-8122（2016）11-0155-04

一、引 言

地震是一種不可抗力，屬于自然世界中難預(yù)測(cè)、難預(yù)防與難控制的破壞性活動(dòng)（如表1、圖1所示）。地震防御技術(shù)與防震減震技術(shù)的發(fā)展受到動(dòng)力學(xué)與經(jīng)濟(jì)成本的雙重制約與相互促進(jìn)。建國(guó)初期，地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低，人員傷亡損失也大，但是基于薄弱的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，其震害損失總額不大，但是對(duì)人們的生產(chǎn)生活影響重大；近年來(lái)經(jīng)濟(jì)得到了飛速發(fā)展，但是抗震設(shè)防水平在西部山區(qū)和丘陵地區(qū)得到的普及也較少，汶川地震帶給我們巨大的災(zāi)難，使我們認(rèn)識(shí)到地震對(duì)居住載體危害是巨大的，影響是深遠(yuǎn)的。

我國(guó)在建筑領(lǐng)域防御地震方面經(jīng)歷了三個(gè)主要的階段：首先是抗震設(shè)計(jì)，這也是目前國(guó)內(nèi)規(guī)范的主流，主張?jiān)黾咏孛鎰偠龋宰陨淼目沽?lái)抵抗地震力，消耗了大量的建筑工程材料，增加了能源與資源消耗，代價(jià)高昂（如圖2所示）；隨著人們對(duì)地震作用影響機(jī)理的認(rèn)識(shí)，隔震結(jié)構(gòu)的發(fā)展主張“以柔克剛”，通過(guò)增加結(jié)構(gòu)自振周期，使其自振頻率遠(yuǎn)離共振區(qū)，降低震動(dòng)擴(kuò)大系數(shù)，減小地震的危害（如圖3所示）；第三個(gè)階段也就是目前正在研究的智能制震階段，其手段依賴高智能材料和智能傳感網(wǎng)絡(luò)，造價(jià)高昂，需要國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段再進(jìn)行論證使用。

隔震技術(shù)在日本、美國(guó)應(yīng)用廣泛，我國(guó)目前走在前列的省份當(dāng)屬云南。1999年云南建設(shè)廳發(fā)文批示鼓勵(lì)橡膠隔振器，在既有高烈度區(qū)域的使用占比高于10%，該批文重點(diǎn)考慮了地震的危害性與當(dāng)前國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平，認(rèn)為使用隔震技術(shù)可以在大體量的結(jié)構(gòu)中可以降低總體使用造價(jià)。

根據(jù)隔震的機(jī)理與隔震層的布設(shè)位置，隔震分為基礎(chǔ)隔震和層間隔震兩種，前者具有普遍的適應(yīng)性，后者則多用于底部大空間、裙樓和主樓連接緊密、沿海、山區(qū)等建筑結(jié)構(gòu)，其布設(shè)可以降低高聳結(jié)構(gòu)的“鞭梢效應(yīng)”，增強(qiáng)減震能力。例如：2013年4月20日四川雅安發(fā)生7.0級(jí)地震以后，采用地基“彈簧緩沖”的隔震技術(shù)修建的蘆山縣人民醫(yī)院外觀完整且受損較小引起人們關(guān)注。

通過(guò)本文的研究，對(duì)建筑公司內(nèi)部承接高烈度設(shè)防建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)施工雙優(yōu)化，節(jié)約建筑用材，減少碳排放，提高建筑結(jié)構(gòu)防震性能，增大設(shè)計(jì)自由度，節(jié)約施工成本，提高建設(shè)工程的投資/效益比。

二、目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有隔震工程的應(yīng)用案例

1.昆明新機(jī)場(chǎng)

昆明機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度1120m，寬度855m，單層建筑面積18萬(wàn)m2。前中心區(qū)長(zhǎng)324m，寬256m，混凝土及鋼結(jié)構(gòu)都未設(shè)置變形縫。航站樓屋面鋼結(jié)構(gòu)劃分為7段，設(shè)置6道變形縫，最大長(zhǎng)度達(dá)392m。

昆明新機(jī)場(chǎng)隔震采用1810個(gè)直徑達(dá)1000mm的隔震支座，同時(shí)采用長(zhǎng)度達(dá)4.8m的粘滯阻尼器，組合采用了隔震加粘滯阻尼技術(shù)。隔震建筑長(zhǎng)324m，寬260m，單層面積達(dá)8萬(wàn)m2。中國(guó)建筑第八工程局有限公司通過(guò)施工昆明新機(jī)場(chǎng)，研究和開(kāi)發(fā)了機(jī)場(chǎng)類建筑隔震施工技術(shù)，包括：

（1）橡膠隔震支座安裝施工技術(shù)；

（2）橡膠隔震支座更換施工技術(shù)；

（3）隔震建筑與周邊建筑及管線的處理；

（4）隔震支座變形監(jiān)測(cè)技術(shù)；

（5）粘滯阻尼器安裝施工技術(shù)；

（6）超長(zhǎng)、超大混凝土無(wú)縫結(jié)構(gòu)隔震工程施工技術(shù)。

2.上海友緣綠化建設(shè)工程

本工程抗震設(shè)防烈度為9度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.4g，場(chǎng)地類別IV類，設(shè)計(jì)場(chǎng)地特征周期0.9s.采用隔震、減震設(shè)計(jì)，采用隔震、減震措施后，結(jié)構(gòu)可按7度設(shè)防，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g。本工程的隔震部件由三部分組成彈性滑板支座、橡膠支座以及粘滯阻尼器；設(shè)置彈性橡膠支座（32個(gè)）、彈性滑板支座（120個(gè)）、黏滯阻尼器（30個(gè)）。其中彈性滑板支座只承受豎向力，橡膠支座提供水平初始剛度，不受豎向力，阻尼器起耗能和緩沖器作用。

3.玉樹(shù)州紅旗小學(xué)消能減震

玉樹(shù)州紅旗小學(xué)屬災(zāi)后重建項(xiàng)目，項(xiàng)目地址位于青海省玉樹(shù)州結(jié)古鎮(zhèn)民主路，總建筑面積13127.9m2，其中教學(xué)綜合樓建筑面積12161.88m2，地上四層，主體為框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度。教學(xué)綜合樓共采用12根屈曲約束支撐，分布于2個(gè)柱間，設(shè)置層數(shù)為第1～3層。在設(shè)置屈曲約束支撐位置處的框架梁和框架柱處設(shè)有預(yù)埋件和鋼連接節(jié)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)梁、柱位置處預(yù)留的連接節(jié)點(diǎn)與屈曲約束支撐現(xiàn)場(chǎng)焊接連接，焊縫為對(duì)接焊縫，焊縫質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)采用焊條電弧焊焊接方式。

4.中國(guó)博覽會(huì)會(huì)展綜合體項(xiàng)目（北塊）施工總承包

中國(guó)博覽會(huì)會(huì)展綜合體項(xiàng)目（北塊）北至崧澤高架、南至規(guī)劃盈港東路、西至諸光路、東至規(guī)劃淶港路，施工總承包（二標(biāo)段）工程建筑面積60萬(wàn)平米，占地面積85.6公頃。鋼結(jié)構(gòu)、幕墻、電梯工程、精裝修工程等。

C1區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)為多跨連續(xù)三角形空間管桁架結(jié)構(gòu)，寬270m，長(zhǎng)338m，標(biāo)高范圍為32.579m～42.000m。主結(jié)構(gòu)由橫向主桁架及縱向連系桁架組成，在上弦平面布置柔性支撐與檁條相結(jié)合的支撐系統(tǒng)。屋蓋支撐柱為混凝土柱，共80個(gè)，通過(guò)抗震支座支撐屋蓋鋼結(jié)構(gòu)，抗震支座由滑動(dòng)支座、橡膠支座、粘滯阻尼器組合而成。C1區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖13。

三、 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與隔震技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑及方法

1.實(shí)現(xiàn)路徑

（1）隔震研究方向?qū)儆诮Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的更高層次的分支，該學(xué)科較為復(fù)雜，需要防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程專業(yè)人才的支持與支撐，與施工企業(yè)一起，完成理論與實(shí)踐結(jié)合的目標(biāo)。

（2）需要與在技術(shù)研究領(lǐng)域有多年研究經(jīng)驗(yàn)的教授合作，進(jìn)行耗費(fèi)較大的動(dòng)力試驗(yàn)，主要是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和MTS耗能原件滯回性能試驗(yàn)，其耗資較大，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕ⅰ⒄駝?dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)的搭設(shè)頗費(fèi)時(shí)間與金錢。

（3）由于房屋建筑結(jié)構(gòu)體系多樣性強(qiáng)，對(duì)于混凝土框架和普通剪力墻結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)和分析和對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的分析需要試驗(yàn)-仿真雙重模擬，需要投入大量的人力專門專項(xiàng)，分頭同步進(jìn)行研究。

（4）如何尋找一種普遍適應(yīng)性的經(jīng)濟(jì)學(xué)模型去分析隔震設(shè)置前后經(jīng)濟(jì)效益的成本對(duì)比情況，需要具有一定施工經(jīng)驗(yàn)的人參與進(jìn)來(lái)進(jìn)行評(píng)估。

（5）不同類型的隔震器選型與布置對(duì)于不同類型地震波的敏感性不同，如何綜合評(píng)價(jià)一個(gè)隔震體系的優(yōu)劣需要建立一個(gè)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

2.實(shí)現(xiàn)方法

（1）施工單位開(kāi)展隔震研究，主要是把近幾年的隔震施工技術(shù)成果進(jìn)行分析總結(jié)，完成設(shè)計(jì)優(yōu)化、與施工優(yōu)化的分析，能夠使得隔震設(shè)備在地震下更好地發(fā)揮效能，救災(zāi)減災(zāi)，保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全。

（2）通過(guò)開(kāi)展既有隔震建筑加固改造，對(duì)近年來(lái)地震預(yù)測(cè)區(qū)的既有重要建筑進(jìn)行改造示范，優(yōu)化設(shè)計(jì)、便捷快速施工，形成既有建筑抗震能力的提升。

（3）對(duì)高烈度區(qū)而言，隔震的效果會(huì)更好，能夠減小抗震構(gòu)件的尺寸和含鋼率，從而降低經(jīng)濟(jì)投入，節(jié)約工程總體造價(jià)。

（4）預(yù)制裝配式建筑的震害比較厲害，也是唐山震害后一直沒(méi)有復(fù)興的主要原因，通過(guò)研究與預(yù)制裝配式建筑相適應(yīng)的隔震技術(shù)，減小預(yù)制構(gòu)件的尺寸和含鋼率，增加預(yù)制構(gòu)件的震害生存指標(biāo)。

四、結(jié) 語(yǔ)

研究成果可以推廣應(yīng)用到房屋建筑領(lǐng)域，可降低地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與振幅、降低地震危害，減少次生災(zāi)害的發(fā)生。該技術(shù)可以在同樣抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)前提下降低既有建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸與配筋率，降低工程造價(jià)，減小工程風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)人民群眾的生命安全和生產(chǎn)生活物資安全，其經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益十分顯著。該研究成果將形成建筑業(yè)的核心技術(shù)，從而形成建筑業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，有利于建筑業(yè)進(jìn)一步開(kāi)拓與鞏固市場(chǎng)，具有良好的市場(chǎng)前景。

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