高層建筑結構隔震減震技術研究焦?jié)暇├砉ご髮W理學院土木工程系摘 要 近年來高層建筑隔震減震技術理論和應用進展,主要包括隔震技術措施與減震技術措施，并分析了在隔震減震技術研究與應用中所存在的問題。關鍵詞 高層建筑結構；隔震；減震；耗能裝置1 引言 地震是一種多發(fā)自然災害。據(jù)統(tǒng)計，世界上平均每年發(fā)生造成嚴重破壞的地震約18次，每年平均有10000人死于地震中。我國是世界上地震多發(fā)的國家之一，發(fā)生過破壞性地震的城市占全國城市總數(shù)的10%以上，給人民的生命財產(chǎn)和國民經(jīng)濟造成了巨大的損失。地震引起地面劇烈的顛簸和搖晃對房屋建筑特別是高層建筑會產(chǎn)生毀滅性的破壞。目前，城市建筑都朝著中高層建筑發(fā)展。因此，如何減少地震對高層建筑的影響是目前房建設計與施工所面臨的一個重要問題。為防止地震對建筑的危害，傳統(tǒng)的方法是采用抗震結構體系，依靠結構的承載力和變形能力，來耗散地震能量，使結構免于倒塌。但由于它是一種“被動防震”法，不免存在很多不足之處：1. 由于地震的不確定性，實際地震力有時超出設計地震力較多，從而使地震設計失效；2.地震力不是常值，它是隨結構承載力和剛度的增大而加大，在高烈度區(qū)，單靠結構的承載力和剛度來抵御地震是不經(jīng)濟的；3.結構破壞后，不但造成重大經(jīng)濟損失，而且修復工作十分困難；4.隨著生產(chǎn)、辦公、生活的日益現(xiàn)代化，樓內(nèi)的儀器設備的價值有時遠遠大于建筑物本身的造價，良好的抗震設計即使保住了建筑物本身，但劇烈的震動使儀器設備中斷工作，甚至遭到破壞1。建筑隔震減震技術作為一種新型的抗震防災技術能大大提高高層建筑的抗震能力，已經(jīng)在1994年美國圣費南爾多地震、1995年日本阪神地震中得到驗證，并且表現(xiàn)出了良好的效果。本文對目前高層建筑隔震減震技術進行了總結并對此展開研究，指出存在的不足之處。2 隔震技術措施 地震對建筑物的破壞作用，是由于地面運動激發(fā)建筑物強烈振動所造成的，也就是說，破壞的能量來自地面，通過基礎向上部結構傳遞。人們總結地震經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，地震時結構底部的有限滑動能大幅度地減輕上部結構的破壞程度，因此在建筑物上部結構與基礎之間以及上部建筑層間設置隔震層,利用軟弱隔震層的大變形來減少地震能量的輸入，減少地震地面運動對上部結構的影響（隔震一般可使結構的水平地震加速度反應降低60%左右）,從根本上減少地震對人身安全、建筑物及其室內(nèi)重要設備的破壞，以達到防震的目的。隔震措施主要包括基礎隔震和層間隔震。基于可動概念的基礎隔震方案主要有以下幾種：（1）軟墊式隔震軟墊式隔震（見圖1）是在房屋底部設置若干個帶鉛芯的鋼板橡膠塊隔震裝置，使整個房屋坐落在軟墊上。與傳統(tǒng)結構相比，在結構底部設置軟墊式隔震裝置的樓房在遭遇地震時，樓房底面和地面之間產(chǎn)生相對水平位移，房屋自振周期加長，主要變形都發(fā)生在軟墊處，上部結構層間側移變得很小，從而保護結構免遭破壞。（2）滑移式隔震滑移隔震體系是指在上部結構和建筑物基礎之間設置一個滑移面，并在滑移面上使用摩擦系數(shù)較小的摩擦材料（鋼珠、石墨等），允許建筑物在發(fā)生地震時相對基礎作整體水平滑動，使結構與基礎解鎖，起到隔離地面運動的作用。同時建筑物在滑動過程中通過摩擦耗散了地震能量，有效限制能量向上傳遞和向下反饋，從而達到減震的效果。（3）擺動式隔震擺動式隔震是將基礎支撐在可擺動的短柱群或樁基上，或者將基礎設計成底部呈球狀的整體，并在基礎側面采用圓形彈簧作為阻尼器3。在地震作用下，基礎可產(chǎn)生一定的傾向和擺動，即以低的剛度控制結構的反應，延長自振周期，從而減輕地震作用。此種擺動隔震方式實際上是柔性底層概念的改進和引伸。（4）懸吊式隔震懸吊式隔震是將整個結構物懸掛在巨型鋼架或鋼筋混凝土內(nèi)筒上，地震時，懸掛物和支撐協(xié)同工作，從而大幅度減少建筑物所受到的地震慣力。其中應用最廣泛的是多層懸掛樓板結構，主要用于公共和生活建筑。層間隔震是結構隔震與抗震相結合的一種方法，它是在原結構上安裝由質(zhì)量和隔震支座組成的耗能減震裝置，地震時，耗能減震機構吸收并消耗地震能量，從而減小原結構的地震反應。上部隔震部分結構對下部抗震部分也具有反作用。它的減震效果一般在1040之間，顯然它的減震效果不及基礎隔震結構，但它可利用結構的加層或原結構的隔熱層，做適當?shù)母慕ǎ瑥亩_到減震目的。所以這是一種簡單、容易實現(xiàn)的方法，在增加少量投資的同時，大大提高結構的抗震能力，適用于舊房加層和抗震加固結構。層間隔震常用的支座是橡膠支座，可提高彈性回復力2。3減震技術措施結構減震技術是近年來迅速發(fā)展起來的一種合理、有效、安全、經(jīng)濟的工程抗震方法。這種方法徹底改變傳統(tǒng)“強化”結構的抗震思想，把結構的某些非承重構件設計成耗能元件，通過摩擦、剪切變形或材料的塑性變形來消耗地震能量，以減小主體結構的地震反應或減輕其破壞，達到減震控制的目的。目前，在實際建筑工程中應用較多的減震措施主要有三種：（1）提高結構阻尼結構的彈性地震反應，是結構阻尼和周期的函數(shù)。它隨結構阻尼比的增大和自震周期的加長而減小。結構阻尼對于消減最大共振反應極為有效。結構的阻尼是隨所有材料、結構類型、地基土質(zhì)和振動性質(zhì)而變化，在高層建筑設計時應選用具有較大阻尼結構類型和體系。同時為了提高結構的阻尼，也可以在結構上設置阻尼器以吸收地震輸入能量，減少結構的變形。（2）采用高延性構件一個建筑耐震與否，主要取決于這個結構的“能量吸收與耗散”能力的大小，而它又取決于結構延性的大小，也就是說，結構的抗震能力是由承載力和變形能力兩者共同決定的。地震反應分析的著眼點應該是變形能力，當?shù)卣鹆_到結構屈服抗力以后，目前高層建筑設計過程中主要采用強柱弱梁、強節(jié)點弱構件與強化梁柱塑性鉸的方法來提高建筑結構的延性。（3）附設耗能裝置 耗能減震技術主要通過在結構的某些部位增設耗能器或耗能部件,為結構提供一定的附加剛度或附加阻尼,在地震作用下主要通過耗能部件來耗散輸入結構的能量,以減輕結構的動力反應,從而更好地保護主體結構安全,是一種有效、安全、經(jīng)濟且日漸成熟的工程減震技術。目前開發(fā)的耗能裝置主要有金屬耗能器金屬耗能器、摩擦耗能器、粘彈性耗能器、粘滯耗能器。前兩種耗能器的耗能特性主要與耗能器兩端的相對位移有關,稱為位移相關型耗能器(或滯變型耗能器),后兩種耗能器的耗能特性主要與耗能器兩端的相對速度有關,稱為速度相關型耗能器。此外,研究人員還結合以上各類耗能器的耗能機制和特性,研究開發(fā)了具有多種耗能機制的復合型耗能器44存在的問題（1）盡管隔震技術己取得了長足進步，但由于其會使結構的固有周期延長，在軟弱場地和下部結構變形過大的情況下應慎用。 （2）豎向地震荷載對隔震結構的影響尚不十分清楚，隔震裝置在豎向地震作用下的反應還有待進一步探討，大跨度結構采用隔震裝置的地震反應需深入研究。 （3）阻尼器及耗能器的性能還有待加強，減震技術與新型、復雜、特殊結構的結合,形成新的減震結構體系還需進一步探索。 （4）高層建筑隔震減震量測技術和實用化分析技術還應進一步加強。5 結語 隔震與減震技術已日益趨于成熟將成為建筑抗震控制的主體，今后的研究可以集中在標準化、優(yōu)化設計、細部構造、新產(chǎn)品的開發(fā)和完善方向，新產(chǎn)品的開發(fā)應以低價、高效呵呵、高性能為目標，為減輕地震災害提供新的技術和方法，也將使我們在隔震和減震方面技術面向世界先進水平方向發(fā)展。參考文獻1劉大海.高層建筑抗震設計M.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1993. 2周福霖.工程結構減震控制M.北京:地震出版社.1977. 3姚謙峰