探討建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的隔震減震措施

陳莉萍

(合肥工業(yè)大學設(shè)計院(集團)有限公司，安徽 合肥 230001)

隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展，建筑物在面臨地震等自然災(zāi)害時面臨著嚴重的安全問題。地震是人類社會面臨的最大自然災(zāi)害之一，它不僅給人們的生命和財產(chǎn)帶來了巨大的威脅，而且也限制了城市和經(jīng)濟的發(fā)展。抗震設(shè)計是通過“三水準”設(shè)計要求和“兩階段”設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的，通過增加結(jié)構(gòu)的剛度，讓結(jié)構(gòu)本身抵抗地震能量，通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身破壞來消耗地震能量，即“以剛克剛”。而隔震減震則是通過在建筑附加其他子結(jié)構(gòu)或采用一定的耗能裝置，讓附加子結(jié)構(gòu)破壞或者施加的阻尼來吸收或消耗地震傳遞給主體結(jié)構(gòu)的能量，從而減輕結(jié)構(gòu)的振動，保護原有結(jié)構(gòu)的安全，即“以柔克剛”。因此建筑隔震減震技術(shù)是一種有效的防震措施，能夠降低建筑物受震害的程度，保障建筑物和人民生命、財產(chǎn)的安全，研究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的隔震減震措施是非常必要的[1]。

1 隔震減震技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

隔震減震技術(shù)的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀50年代。當時，日本發(fā)生了一系列的大地震，導致了大量建筑物的損毀和倒塌，給人們的生命財產(chǎn)帶來了極大的危害。這促使科學家們開始探索一種能夠降低地震破壞的方法，即隔震減震技術(shù)。最早的隔震減震方法是將傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)與橡膠支座相結(jié)合，起到了一定的防震效果。此后，隨著科技的發(fā)展，隔震減震技術(shù)不斷向前發(fā)展。目前，隔震減震技術(shù)已經(jīng)成為建筑抗震工程中的一項重要措施。國內(nèi)外研究者進行了大量的研究工作，提出了多種隔震減震技術(shù)，包括橡膠隔震、擺式隔震、液體隔震、彈性隔震、耗能支撐、屈服約束支撐、耗能墻、阻尼器剪力墻、阻尼器等。各種隔震減震技術(shù)各有特點，可以在不同場合下靈活應(yīng)用。目前，隔震減震技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高層建筑、大型橋梁、核電站等重要工程中，取得了良好的防震效果。同時，隨著科技的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，隔震減震技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善[2]。

2 隔震減震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

隔震減震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用主要是通過控制地震產(chǎn)生的慣性力和峰值加速度，使建筑物在地震時產(chǎn)生較小的變形和破壞，從而保障人民生命財產(chǎn)安全。目前，隔震減震技術(shù)主要有以下幾種應(yīng)用方式：1)橡膠隔震：橡膠隔震是最早被廣泛應(yīng)用的隔震減震技術(shù)之一。利用彈性橡膠支座將建筑物與地基分離，降低了地震慣性力的傳遞，從而減小了建筑物的震動響應(yīng)；2)擺式隔震：擺式隔震利用重力擺的動力學特性來消耗地震能量，減小地震造成的沖擊力。該技術(shù)適用于高層建筑、大型橋梁等工程；3)彈性隔震：彈性隔震是利用金屬彈簧等材料的彈性變形來減小地震慣性力的傳遞，從而降低建筑物的震動響應(yīng)；4)液體隔震：液體隔震是利用流體的粘性和壓縮性來吸收地震能量，將建筑物與地基分離，實現(xiàn)隔震減震效果。隔震減震技術(shù)的應(yīng)用需要根據(jù)具體工程情況進行選型和設(shè)計。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性以及經(jīng)濟性等因素，選擇最適合的隔震減震技術(shù)，并進行科學合理的設(shè)計和施工[3]。

3 現(xiàn)階段在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的隔震減震措施方面取得的成果

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的隔震減震措施方面，近年來取得了不少成果。以下是一些主要進展：成熟的設(shè)計理論和方法：針對不同類型建筑物和不同地質(zhì)條件，開展了大量的試驗和模擬分析工作，積累了豐富的實驗數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗。在此基礎(chǔ)上，建立了適用于各種隔震減震技術(shù)的設(shè)計理論和方法。安全性能得到充分驗證：國內(nèi)外應(yīng)用隔震減震技術(shù)的工程已達到數(shù)百個，其中不乏高層建筑、大型橋梁、核電站等重要工程。這些工程經(jīng)過多次地震的驗證，安全性能得到了充分驗證。技術(shù)不斷創(chuàng)新和提高：現(xiàn)代隔震減震技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，例如新型隔震減震材料的研發(fā)、新型隔震減震裝置的設(shè)計和制造等。隨著科技的進步，隔震減震技術(shù)將更加完善和成熟。應(yīng)用范圍不斷擴大：隔震減震技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴大，除了傳統(tǒng)的高層建筑和橋梁等工程外，還包括機場、地鐵、水庫、博物館、醫(yī)院、體育館等重要工程。目前，也有用于既有建筑的加固改造工程。未來，隨著科技和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，隔震減震技術(shù)在更多領(lǐng)域中有望得到應(yīng)用。總的來說，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的隔震減震措施方面，取得了很多成果。但是，隨著人們對安全性能需求的不斷提高，隔震減震技術(shù)仍需要不斷創(chuàng)新和完善，以滿足新的挑戰(zhàn)和需求。

4 目前在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的隔震減震措施方面的問題和不足

4.1 技術(shù)成本較高

目前，大部分隔震減震技術(shù)的制造、安裝和維護成本較高，這增加了建筑項目的投資成本，限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。主要原因如下：材料成本高：隔震減震技術(shù)中所使用的材料一般都是高性能材料，如特種橡膠、高強度鋼等，而這些材料的價格相對較高，這導致隔震減震技術(shù)的成本較高。設(shè)計和制造難度大：隔震減震技術(shù)中的隔震器、減震器等需要進行精密的設(shè)計和制造，工藝復雜，難度較大。因此，其制造成本往往較高。安裝和調(diào)試復雜：隔震減震技術(shù)的安裝和調(diào)試需要專業(yè)的技術(shù)人員進行，并需要借助專業(yè)設(shè)備和測量工具。這增加了操作的人工和時間成本。維護成本高：隔震減震技術(shù)需要專業(yè)人員定期進行檢查和維護，以確保其正常運行，因此維護成本較高[4]。

4.2 既有建筑改造困難

由于老建筑的原有結(jié)構(gòu)和設(shè)計不夠完善，受當時材料、施工技術(shù)和經(jīng)濟性影響，抗震性能不好。因此對這些建筑物特別是重要性建筑進行加固改造時，如果想要提高其抗震性能，可采用隔震減震技術(shù)，但會遇到很多困難和限制。主要原因如下：建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)問題：老建筑的建造時間較早，所使用的建筑設(shè)計標準和結(jié)構(gòu)規(guī)范也與現(xiàn)在有所不同。一些老建筑的結(jié)構(gòu)形式以及梁柱等承重部件的尺寸和材料可能無法滿足隔震減震技術(shù)的要求?？臻g和布局問題：老建筑的空間和布局可能無法適應(yīng)隔震減震技術(shù)的要求。例如，老建筑的層高比較低或者房間尺寸開間小，難以安置大型的減隔震設(shè)備。維護問題：老建筑物已經(jīng)使用了較長時間，對于建筑本身的維護可能存在問題，這將增加隔震減震設(shè)備的維護難度和成本。改造的經(jīng)濟性問題：老建筑受其原有設(shè)計和施工限制，且已使用多年，因此若采用減震隔震技術(shù)進行改造，改造成本較高。

4.3 效果難以預(yù)測

由于地震的不可預(yù)料性，以及隔震減震技術(shù)的特殊性質(zhì)和復雜性，其效果往往難以準確預(yù)測，需要通過實驗數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗來驗證。這增加了工程試驗和評估的難度，主要原因如下：隔震減震設(shè)備設(shè)計：不同的隔震減震設(shè)備具有不同的結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)，例如隔震器、減震器等。為了實現(xiàn)最佳的隔震效果，需要根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計需求進行精確的選擇和設(shè)計，這需要充分考慮到多種因素的影響，如地形、氣候和土地條件等因素。地震波的復雜性：地震波的強度、頻率和持續(xù)時間等都是不確定的，這增加了隔震減震效果的難以預(yù)測。此外，由于建筑物的結(jié)構(gòu)條件和地基條件都不同，地震波產(chǎn)生的振動也會發(fā)生變化，從而難以準確預(yù)測隔震減震的效果。實驗和評估的困難：由于隔震減震效果難以準確預(yù)測，需要對其進行實驗和評估。然而，這需要專業(yè)人員進行，并需要借助于大量的數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗。這增加了試驗和評估的難度。

4.4 液體隔震的環(huán)境污染問題

液體隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中也是一種常用的隔震方法，其主要是通過將建筑物與地面之間加裝液體隔震器，來消除地震波的沖擊。然而，液體隔震技術(shù)也存在著一些環(huán)境問題，其中最重要的就是環(huán)境污染問題。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：液體泄漏污染：液體隔震采用的是橡膠、鋼板或橡膠和鋼板組合的容器中充滿了流體材料，如果這些液體泄漏，在地震時或因其他外力造成容器損壞時(如火災(zāi)、交通事故)，將會對周邊環(huán)境造成嚴重的污染。特別是對于一些敏感生態(tài)環(huán)境，例如濕地、自然保護區(qū)等，這類事故將會導致不可估量的損失。液體處理困難：由于液體隔震技術(shù)使用的流體材料往往比較復雜，且含有大量化學成分，所以一旦泄漏會給液體的處置帶來困難[5]。

5 解決問題的辦法和優(yōu)化措施

5.1 技術(shù)成本較高的解決措施

為了解決液體隔震技術(shù)所面臨的成本過高的問題，需要采取一系列相應(yīng)的措施來降低成本，從而使其更適用于各種建筑物的隔震減震中。這些措施可以包括以下幾個方面：推廣新型隔震減震技術(shù)：將目光投向新型隔震減震技術(shù)，研究開發(fā)更加智能化、高效率的隔震減震技術(shù)，例如利用人工智能技術(shù)提高液體隔震器的性能，從而提高隔震減震效果的同時，也可以進一步降低建筑結(jié)構(gòu)隔震減震的成本。制定更科學的材料標準：研究生產(chǎn)新型高質(zhì)量的減隔震材料，為建筑結(jié)構(gòu)的隔震減震提供可靠的保障。同時，建立更科學的材料標準體系，對生產(chǎn)企業(yè)進行嚴格的監(jiān)管和檢驗，保證生產(chǎn)的新型材料能夠符合相應(yīng)的技術(shù)標準，從而保障隔震減震設(shè)備的品質(zhì)。提高隔震減震設(shè)備的設(shè)計和制造能力：加強對隔震器的研發(fā)和設(shè)計，以提高設(shè)備的性能和質(zhì)量，并降低其成本；同時，采用新型的制造技術(shù)和自動化生產(chǎn)線，可以進一步降低隔震減震設(shè)備的制造成本。降低維護成本：在建筑結(jié)構(gòu)隔震減震的應(yīng)用過程中，減隔震設(shè)備需要定期進行檢修和維護，以確保其始終處于良好的工作狀態(tài)。因此，降低維護成本是一個非常重要的方面。例如，利用智能化的檢測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對隔震設(shè)備的實時監(jiān)測和遠程診斷，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，從而降低維護成本。

5.2 既有建筑改造困難的解決措施

在新建的建筑設(shè)計和施工中，應(yīng)該注重隔震減震技術(shù)的應(yīng)用，特別是在地震中、高烈度區(qū)的重點設(shè)防類、特殊設(shè)防類項目，應(yīng)該將隔震減震技術(shù)的應(yīng)用作為重點。對于那些已經(jīng)建成、未使用隔震減震技術(shù)的老建筑，可以通過其他方法提高抗震性能，如對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件進行加固、在條件允許位置增設(shè)阻尼器等方法來提升抗震能力。同時加強地震科普，提高公眾的安全意識，預(yù)測預(yù)緊地震風險，避免在地震風險較高的區(qū)域建造高層建筑、重要建筑和重要設(shè)施。

5.3 效果難以預(yù)測的解決措施

為了解決隔震減震效果難以預(yù)測的問題，可以采取以下方面的措施：建立地震模型：建立更加精確的符合實際的地震模型，通過計算機數(shù)值模擬分析，對模型輸入地震波，模擬地震波產(chǎn)生的振動過程，以判斷隔震減震的效果。多層次評估：根據(jù)項目規(guī)模大小不同，從概念設(shè)計、理論計算、物理試驗、模擬分析等多個角度進行全面評估，提高評估結(jié)果的準確性。參考先進國家的經(jīng)驗：借鑒其他先進國家在隔震減震技術(shù)領(lǐng)域的經(jīng)驗和成果，尤其是在相似的地震環(huán)境下，以提高隔震減震技術(shù)的效果預(yù)測能力。不斷完善技術(shù)：隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，隔震減震技術(shù)的相關(guān)研究也在不斷深入和完善，可以通過技術(shù)的不斷創(chuàng)新和研發(fā)，提高隔震減震效果的準確性。

5.4 液體隔震的環(huán)境污染問題的解決措施

為了避免液體減隔震技術(shù)帶來的環(huán)境污染問題，具體應(yīng)采取以下措施：選用環(huán)保流體材料：選擇環(huán)保流體材料作為液體隔震或減震阻尼的媒介，例如采用烷基腈類流體或水為減隔震介質(zhì)。這些材料在使用過程中不會對環(huán)境產(chǎn)生重大影響，即使發(fā)生泄漏也能夠較快地自然降解，對周邊環(huán)境的損害也會減小。安全監(jiān)管：加強液體減隔震設(shè)備的安全監(jiān)管，定期進行設(shè)備檢修和維護，及時發(fā)現(xiàn)和排除隱患，避免事故的發(fā)生。同時，制定應(yīng)急處置預(yù)案，一旦發(fā)生泄漏事故，及時采取應(yīng)急措施，控制損失范圍。探索新型材料：在液體減隔震技術(shù)領(lǐng)域進行持續(xù)創(chuàng)新和探索，開發(fā)無污染、安全可靠的新型材料，提高其環(huán)保性和可持續(xù)性，以減少對環(huán)境的影響。意識普及：加強公眾環(huán)保意識的宣傳，提高公眾對液體減隔震技術(shù)的安全使用和環(huán)保意識，使人們更加注重環(huán)保問題，并采取積極措施來保護環(huán)境。

6 結(jié)語

通過探討了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的隔震減震措施，介紹了其發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，分析了存在的問題，并提出了解決問題的辦法。大力推進隔震減震技術(shù)的研究和應(yīng)用，對于保障人民生命財產(chǎn)安全，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。