淺談建筑結(jié)構(gòu)防震技術(shù)

張鎬

西安市住宅建筑設(shè)計研究院

    地震是地球上人力不可抗拒的自然災(zāi)害之一，會造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。多年來世界各國都在致力于防震減災(zāi)。雖然現(xiàn)代科技已進入高速發(fā)展的時代，但是由于地球內(nèi)部構(gòu)造及地殼運動的復(fù)雜性大大增加了地震的不可預(yù)知性，使得我們對地震仍不能完全預(yù)測又無法避免。地震本身對人類造成的直接傷害微乎其微，它主要是通過造成山體滑坡、泥石流、海嘯、建筑損毀等，間接造成人員傷亡。特別是由于近現(xiàn)代人類文明的發(fā)展，城市建筑大量使用砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、甚至高層結(jié)構(gòu)，人員居住又非常密集，地震時由于建筑物損毀或倒塌造成的次生災(zāi)害才是導(dǎo)致人員大量傷亡的罪魁禍首。許多到達震后現(xiàn)場的專家都發(fā)出同樣的感慨：“不是地震殺人，而是倒塌的建筑物殺人！”可見地震時確保建筑物的穩(wěn)固安全是多么重要。我國是個多地震國家，存在著的五個主要地震區(qū)：青藏高原地震區(qū)、華北地震區(qū)、新疆地震區(qū)、臺灣地震區(qū)和華南地震區(qū)。青藏高原地震區(qū)是我國最大的一個地震區(qū)，也是地震活動最強烈、大地震頻繁發(fā)生的地區(qū)，比如512四川汶川大地震就在該區(qū)。所以對結(jié)構(gòu)設(shè)計人員來講，加強建筑物的防震性能是至關(guān)重要的。

    一般來講，地震從開始到振動結(jié)束，時間不過十幾秒到幾十秒，如今建筑物越來越高，要從較高樓層跑下樓確實不現(xiàn)實，使得人們對建筑物的防震性能越來越關(guān)注。目前常用的建筑結(jié)構(gòu)防震技術(shù)包括兩類：一類是“剛性抗震”法，就是我們傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法，即通過結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計，提高建筑的抗破壞能力；通過結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計，提高建筑的抗變形能力；通過結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計，提高建筑的延性和防倒塌能力；另一類是“柔性防震”法，就是科技人員研究出的防震減災(zāi)的兩種新技術(shù)——隔震技術(shù)和消能減震技術(shù)，把防震從“硬抗”轉(zhuǎn)到“軟消”�！案粽稹鳖櫭�思義就是隔離地震，即在建筑物基礎(chǔ)、底部或下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置由隔震器、阻尼裝置等部件組成具有整體復(fù)位功能的隔震層，以延長整個結(jié)構(gòu)體系的自振周期，減少輸入到上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達到預(yù)期防震要求。消能減震技術(shù)指在房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能器，通過消能器的相對變形和相對速度提供附加阻尼，以消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，達到預(yù)期的防震減震要求。隔震和消能減震設(shè)計都是通過特殊裝置，消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，減小地震對建筑物的作用效應(yīng)，降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達到柔性防震的目的。

    下面簡單對比分析一下兩類結(jié)構(gòu)防震技術(shù)的優(yōu)缺點：

    對于鋼筋砼結(jié)構(gòu)建筑，目前世界各國多采用“剛性抗震”法，這種方法是“硬抗”法。靠加大抗側(cè)力構(gòu)件如梁、柱的截面；增大配筋；提高混凝土標號等來提高建筑物自身的剛度和延性，達到抗震的目的。其優(yōu)點是：經(jīng)過多年的發(fā)展研究，有一套成熟系統(tǒng)的理論；實踐經(jīng)驗豐富；技術(shù)成熟。它有其成功之處，但也有很多不足：（1）在增大建筑物剛度的同時，會引起地震加速度增大，相應(yīng)地遭受地震作用的效應(yīng)更強。（2）建筑結(jié)構(gòu)自身剛度無論多大，當(dāng)受到強烈地震作用時，其抵抗能力仍相當(dāng)有限，很難做到“大震不壞”，僅能做到“大震不倒”。（3）在如今的房價水平較高的情況下，提高整個建筑物抗震性能，雖說對購房者來說是極大的心理安慰，但其導(dǎo)致工程總造價提高，大幅增加的建筑成本可能令購房者無法承受。

隔震技術(shù)是近代地震研究者為防震減震找到的一種有效措施。隔震技術(shù)在上個世紀得到了較大的發(fā)展。美國洛杉磯地震和日本阪神地震以及新西蘭地震等資料表明，遇到大地震時，許多抗震建筑物均受到不同程度的破壞或倒塌。而合理設(shè)計的隔震建筑物，不僅整個建筑未受到損害，而且連內(nèi)部物品均完好無損。特別是2010年9月4日新西蘭南島發(fā)生的7.2級地震中，由于大量采用隔震技術(shù)，幾乎無人員死亡。這充分證實了隔震結(jié)構(gòu)的安全性和有效性，更增添了其推廣的力度。

    我國從上世紀90年代也逐步開始研究、使用隔震技術(shù)，依托國家“八五”科技攻關(guān)項目，完成了隔震技術(shù)從產(chǎn)品研制、設(shè)計方法到施工技術(shù)的研究。2001年我國首次將隔震建筑設(shè)計納入抗震規(guī)范中，為隔震技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2010版抗震規(guī)范又明確隔震是一種有效減輕地震災(zāi)害的技術(shù)，并且吸收國內(nèi)外研究成果中較成熟的內(nèi)容，僅列入橡膠隔震支座的相關(guān)內(nèi)容。該抗震規(guī)范中也明確指出：在隔震設(shè)計的方案比較和選擇時仍應(yīng)注意：1.隔震技術(shù)對低層和多層建筑比較合適；2.根據(jù)橡膠隔震支座抗拉屈服強度低的特點，提出需限制非地震作用的水平荷載等要求；3.硬土場地（即我國抗震規(guī)范中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場地土）較適合建隔震房屋。

    地震時隔震建筑的變形主要集中在隔震層，隔震一般可使上部結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應(yīng)降低60%左右，從而消除或有效減輕結(jié)構(gòu)的地震損壞。目前各國實際工程中應(yīng)用最多的隔震支座有兩 大類: 橡膠支座和滑動隔震支座。其中疊層橡膠支座應(yīng)用的最廣，迄今90% 以上的隔震建筑應(yīng)用該支座。隔震技術(shù)日趨成熟，經(jīng)理論分析、試驗研究、工程試點和大震檢驗，證明其經(jīng)濟性和有效性與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)相比有顯著提高，有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。其缺點是：1.只能減小水平向地震作用，卻不能隔離結(jié)構(gòu)的豎向地震作用。2.穿過隔震層的設(shè)備配管，配線應(yīng)采用柔性連接或其他有效措施適應(yīng)隔震層的罕遇地震水位移，增加了造價。

    消能減震是過附加阻尼或阻尼器的非線性滯變耗能減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而保護主體結(jié)構(gòu)不發(fā)生損傷或僅發(fā)生小的地震損傷。消能部件可由消能器及斜撐、墻體、梁等支撐構(gòu)件組成。消能器可采用速度相關(guān)型、位移相關(guān)型或其它類型。速度相關(guān)型消能器指黏滯性消能器和黏彈性消能器等；位移相關(guān)型消能器指金屬屈服消能器和摩擦消能器等。消能減震技術(shù)有很多優(yōu)點：1. 消能部件不承受結(jié)構(gòu)重力，因此，地震后即使消能部件發(fā)生了塑性變形，也不會影響結(jié)構(gòu)的承重，相當(dāng)于采用非結(jié)構(gòu)構(gòu)件來保護主體結(jié)構(gòu)，且消能部件比隔震支座更易于更換；2.消能減震技術(shù)不受結(jié)構(gòu)類型限制，適用于多種延性結(jié)構(gòu)，在新建和抗震加固建筑中均可使用。3.采用消能減震方案可以有效減少結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的位移和加速度響應(yīng)已經(jīng)得到實際工程驗證。大量計算數(shù)據(jù)和實驗室研究結(jié)果表明，通過合理布置消能減震裝置，該技術(shù)對減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)也是十分有效的。它可以同時減小結(jié)構(gòu)的水平和豎向地震作用，這是它與隔震技術(shù)最大的區(qū)別。

    隔震和消能減震在結(jié)構(gòu)設(shè)計時還有一個區(qū)別：隔震后的上部結(jié)構(gòu)抗震計算可以根據(jù)降低后的水平地震影響系數(shù)最大值計算，即水平地震計算時地震烈度可根據(jù)水平向減震系數(shù)降低半度到一度半。而采用消能減震方法抗震計算時地震烈度是不能降低的。另外，規(guī)范還明確規(guī)定采用隔震和消能減震設(shè)計后上部結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施可以適當(dāng)降低，但不得超過一度。

    目前，隔震和消能減震技術(shù)在我國推廣中遇到的問題：1.由于是新技術(shù)，其理論還在發(fā)展和完善階段，其中某些技術(shù)的安全性和適用性還有待于進一步研究和改進，國家在推廣中也比較謹慎；2.設(shè)計及施工人員雖然已經(jīng)逐步認同這兩項技術(shù)，但達到熟練掌握和科學(xué)運用還有待于時日；3. 隔震和消能減震構(gòu)件的設(shè)置必然會增加建設(shè)投資。

    所以說，各種防震技術(shù)都有其優(yōu)點和弊端，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)建筑抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、建筑結(jié)構(gòu)方案和建筑使用要求等，將隔震或消能減震方案與采用抗震設(shè)計的方案進行技術(shù)、經(jīng)濟可行性以及安全性的對比分析后，確定最終設(shè)計方案。

參考文獻：

1. 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010

2. 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010統(tǒng)一培訓(xùn)教材（地震出版社）

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會   文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 編輯  文徑 審核)