淺談建筑結構防震技術

張鎬

西安市住宅建筑設計研究院

    地震是地球上人力不可抗拒的自然災害之一，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。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)部構造及地殼運動的復雜性大大增加了地震的不可預知性，使得我們對地震仍不能完全預測又無法避免。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構、鋼筋混凝土結構、甚至高層結構，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害才是導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)。所以對結構設計人員來講，加強建筑物的防震性能是至關重要的。

    一般來講，地震從開始到振動結束，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注。目前常用的建筑結構防震技術包括兩類：一類是“剛性抗震”法，就是我們傳統(tǒng)的結構抗震設計方法，即通過結構的強度設計，提高建筑的抗破壞能力；通過結構的剛度設計，提高建筑的抗變形能力；通過結構的塑性設計，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的兩種新技術——隔震技術和消能減震技術，把防震從“硬抗”轉(zhuǎn)到“軟消”。“隔震”顧名思義就是隔離地震，即在建筑物基礎、底部或下部結構與上部結構之間設置由隔震器、阻尼裝置等部件組成具有整體復位功能的隔震層，以延長整個結構體系的自振周期，減少輸入到上部結構的地震能量，達到預期防震要求。消能減震技術指在房屋結構中設置消能器，通過消能器的相對變形和相對速度提供附加阻尼，以消耗輸入結構的地震能量，達到預期的防震減震要求。隔震和消能減震設計都是通過特殊裝置，消耗輸入結構的地震能量，減小地震對建筑物的作用效應，降低上部結構的地震反應，達到柔性防震的目的。

    下面簡單對比分析一下兩類結構防震技術的優(yōu)缺點：

    對于鋼筋砼結構建筑，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，相應地遭受地震作用的效應更強。（2）建筑結構自身剛度無論多大，當受到強烈地震作用時，其抵抗能力仍相當有限，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，幾乎無人員死亡。這充分證實了隔震結構的安全性和有效性，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，依托國家“八五”科技攻關項目，完成了隔震技術從產(chǎn)品研制、設計方法到施工技術的研究。2001年我國首次將隔震建筑設計納入抗震規(guī)范中，為隔震技術的發(fā)展奠定了基礎。2010版抗震規(guī)范又明確隔震是一種有效減輕地震災害的技術，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內(nèi)容。該抗震規(guī)范中也明確指出：在隔震設計的方案比較和選擇時仍應注意：1.隔震技術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構的水平地震加速度反應降低60%左右，從而消除或有效減輕結構的地震損壞。目前各國實際工程中應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用的最廣，迄今90% 以上的隔震建筑應用該支座。隔震技術日趨成熟，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)的抗震結構相比有顯著提高，有廣闊的發(fā)展應用前景。其缺點是：1.只能減小水平向地震作用，卻不能隔離結構的豎向地震作用。2.穿過隔震層的設備配管，配線應采用柔性連接或其他有效措施適應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構的地震反應，從而保護主體結構不發(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、梁等支撐構件組成。消能器可采用速度相關型、位移相關型或其它類型。速度相關型消能器指黏滯性消能器和黏彈性消能器等；位移相關型消能器指金屬屈服消能器和摩擦消能器等。消能減震技術有很多優(yōu)點：1. 消能部件不承受結構重力，因此，地震后即使消能部件發(fā)生了塑性變形，也不會影響結構的承重，相當于采用非結構構件來保護主體結構，且消能部件比隔震支座更易于更換；2.消能減震技術不受結構類型限制，適用于多種延性結構，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構在風作用下的位移和加速度響應已經(jīng)得到實際工程驗證。大量計算數(shù)據(jù)和實驗室研究結果表明，通過合理布置消能減震裝置，該技術對減少結構地震反應也是十分有效的。它可以同時減小結構的水平和豎向地震作用，這是它與隔震技術最大的區(qū)別。

    隔震和消能減震在結構設計時還有一個區(qū)別：隔震后的上部結構抗震計算可以根據(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計后上部結構的抗震構造措施可以適當降低，但不得超過一度。

    目前，隔震和消能減震技術在我國推廣中遇到的問題：1.由于是新技術，其理論還在發(fā)展和完善階段，其中某些技術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.設計及施工人員雖然已經(jīng)逐步認同這兩項技術，但達到熟練掌握和科學運用還有待于時日；3. 隔震和消能減震構件的設置必然會增加建設投資。

    所以說，各種防震技術都有其優(yōu)點和弊端，結構設計人員應根據(jù)建筑抗震設防類別、設防烈度、場地條件、建筑結構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計的方案進行技術、經(jīng)濟可行性以及安全性的對比分析后，確定最終設計方案。

參考文獻：

1. 《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2010

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

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