建筑隔振消能减震技术探析
 
建筑隔振消能减震技术探析 
 
针对地震这种严重的自然灾害对建筑物的不利影响,分析介绍了隔震及减震的原理及工程应用方法,并对这些方法的优缺点进行了分析比较,为实际建筑结构的隔震及减震分析提供了参考。
  1 地震的危害
建筑物除了承受竖向荷载外,还要承担风和地震水平荷载的作用,建筑物越高,这个水平荷载效应就越明显。我国41%的国土、50%以上的城市位于地震烈度7度以上的地区,面临的地震灾害形势非常严峻。地震是人类面临的最严重的突发性的自然灾害之一,对人民的生命和财产安全造成很大的危害。
1.1 造成大量人员伤亡
1976年唐山发生的7.8级强烈地震,顷刻间,百余万人口工业城市被夷为平地,造成24.2万人死亡,16.4万余人重伤。自1900年有记录以来,我国死于地震的人数达55万之多,占全球地震死亡人数的53%。
1.2 破坏人类赖以生存的环境
自我国1900年有记录以来,地震成灾面积达30多万平方公里,房屋倒塌达700万间。
1.3 冲击人类社会的正常运行秩序和造成大量的经济损失
唐山地震的直接经济损失近百亿元,震后重建投资达百亿元。1995年,日本阪神地震中经济损失超过1000亿美元。随着经济的高速发展,城市化使人口和财富高度密集,强烈地震造成的伤亡和损失将越来越大,地震后的修复和城市的复兴就越有难度,对国家经济发展和社会稳定的冲击也将更为剧烈。
2 传统抗震方法
地震造成的破坏给人类留下的烙印是深刻的。而我们结构工程师们一直没有停止过对建筑物抗震的研究。建造抗强烈地震的建筑物和构筑物成为建筑工程领域重要的课题。为了抵御地震灾害,通常的建筑结构设计采用的是抗震设计,强调的是“抗”,即采用“延性结构体系”适当控制结构物的刚度,但容许结构构件(如梁、柱、墙、节点等等)在地震时,进入非弹性状态,并且具有较大的延性,以消耗地震能量,减轻地震反映,使结构物“裂而不倒”。
这种体系在很多情况下是有效的,但也存在很多局限性:首先,由于结构物的承重构件在地震时进入非弹性状态,对某些重要的结构物是不容许的(纪念性建筑、装饰昂贵的现代化建筑、原子能发电站等);其次,对于一般性建筑,当遭遇超过设防烈度地震时,由于主体结构已发生严重非弹性变形,在地震后难以修复或在强地震中严重破坏,甚至倒塌,其破坏程度难以控制;再次,随着地震强度的增大,结构的断面和配筋都相应增大,造成经济的“浪费”。
3 隔震、消能减震
3.1 隔震与消能减震原理
隔振、减震控制的基本原理是在结构构件之间或建筑物与基础之间设置隔震、减震装置,通过隔震、减震装置的耗能特性,减小振动能量向周围环境的传递,达到减小振动对周围环境影响的目的。
3.2 隔震与减震方法
3.2.1 粘弹性阻尼结构
粘弹性阻尼结构的风洞试验、地震模拟振动台试验及大量的结构分析表明,在结构中安装粘弹性阻尼器可减小风振反应和地震反应40%~80%,可确保主体结构在强风和强震中的安全性,并使结构在强风作用下,结构的舒适度控制在规定的范围内。西雅图哥伦比亚中心大厦起初是因为在风振的影响下,顶部几层有明显的不舒适感,安上粘弹性阻尼器后,不再有不舒适感,效果良好。若采用加大刚度的方法来获得同样的效果,需要把现有的柱尺寸扩大一倍,粗算价值约800万美元,显然采用增加刚度的办法是难以接受的,而采用粘弹性阻尼器所用的试验及安装费用仅70万美元。在北京的银泰中心也设置了粘滞阻尼器,试验结构证明有很好的减振效果。由此可见,采用粘弹性阻尼器减小建筑的风振或地震效应在经济上是相当可观的。
3.2.2 吸能减震
吸震减震是通过附加子结构,使结构的震动发生位移,即使结构的振动能量在原结构与子结构之间重新分配,从而达到减小结构震动的目的。目前,工程结构应用的吸震减震装置主要有:调谐质量阻尼器(简称TMD),调液(柱)阻尼器(简称TLD或TLCD)悬吊质量摆阻尼器(简称SMPD)和质量放大器。屋面上的水箱也起到一定的减震效果,相当于TMD。
      3.2.3 金属阻尼器
是在框架中加屈曲约束支撑,在常规荷载下,起到支撑的作用,而在地震作用下,金属支撑通过塑性变形来消耗地震的能量,从而起到保护主体结构的作用。这在抗震加固的工程中得到广泛的应用。拟建的首都规划大厦设置了柱间“人”字型支撑,大大减小了地震力的影响。
3.2.4 冲击减震
冲击减震是依靠附加活动质量与结构之间的非完全弹性碰撞达到交换动量和耗散动能进而实现减小结地震反应的技术。实际应用时,一般在结构的某部位(常在顶部)悬挂摆锤。结构震动时,摆锤撞击结构使结构震动衰减。另外,摆锤还兼有吸振器的功能。
3.2.5 更为先进的减震体系
前面所提到的是被动的控制地震力的方法,现在随着科技的发展,主动和半主动控制也正在被广泛地研究中,它是在不同学科和专业之间开展合作和交叉研究,开发使用的感应和接收装置、结合控制专业的配套技术,形成新的产业,以支持新技术的推广应用。结构振动控制的研究和应用需要将传统的建造技术与高新技术相结合,使结构的安全保障系统成为智能结构的重要组成部分。如在建筑物基础安装像汽车安全气囊的感应气垫,一旦地震来临,纵波感应器启动,在横波能量对建筑物造成破坏前感应气垫膨胀并把来自于纵波的能量进行消能。真正实现了像汽车一样的智能减震体系。
3.3 隔震与消能减震的效果
3.3.1 明显有效地减轻结构的地震反应
从振动台地震模拟试验结果及美国、日本建造的隔震结构在地震中的强震记录得知,隔振体系的结构加速度反应只相当于传统结构(基础固定)加速度反应的1/10~1/3。这种减震效果是一般传统抗震结构所望尘莫及的。从而能非常有效地保护结构物或内部设备在强地震冲击下免遭任何毁坏。
3.3.2 确保安全
在地面剧烈震动时,上部结构仍能处于正常的弹性工作状态。这既适用于一般民用建筑结构,确保居民在强地震中的绝对安全,也适用于某些重要结构物和重要设备。(如医院、实验室、核电站)
3.3.3 降低建筑物造价
从汕头、广州、西昌等地建造隔震房屋得知,多层隔震房屋比传统多层隔震房屋节省房屋土建造价:7度区节省3%~6%,8度区节省8%~14%,9度区节省15%~20%。并且安全度大大提高。
3.3.4 抗震措施简单明了
抗震涉及的对象从考虑整个结构物的复杂的不明确的抗震措施转变为只考虑隔震装置,简单明了。结构物本身与一般非地震区的做法无异,设计施工大大简化。
3.3.5 震后修复方便
地震后,只对隔震装置进行必要的检查更换。而无需考虑建筑结构物本身的修复,地震后可很快恢复正产生活或生产,这带来极明显的社会效益和经济效益。
3.3.6 为设计提供空间
在满足设计要求的情况下,结构构件的尺寸可能做的很小,这样能够留给建筑师更大的创作空间,做出更加纤细灵巧的建筑物。
4 结语
耗能减震技术为建筑的抗震设计和抗震加固提供了一条崭新的途径,它克服了传统结构“硬碰硬”式的抗震设计方法,具有概念简单、减震机理明确、减震效果显著,安全可靠等特点。虽然现有的规范和规程对这方面阐述的不够完善,现行的国内软件也没有提供这方面的计算程序,不过可以预言,耗能减震技术以其不可忽视的优点,将成为21世纪建筑减震防灾的重要手段和方法,为减轻地震对人类造成的危害作出巨大贡献。为人类营造一个更加安全舒适,更加绿色环保的工作和生活环境。
 

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