建筑结构抗震及隔震方法

摘 要：本文探讨了传统结构抗震技术，并介绍了几种隔震技术，希望为我国以后的结构抗震设计起到推进作用。

关键词：建筑结构；抗震；隔震方法

建筑物良好的抗震设计能够帮助国家和人民减少许多不必要的灾难。我国坚持建筑结构抗震设防的原则是：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。本文对传统结构抗震技术进行了论述，并介绍了几种较新的隔震技术。

1 传统结构抗震设计

1.1建筑结构抗震设计考虑方面

传统结构抗震的建筑设计应考虑到以下几个方面：场地选择、形状均匀规整、提高结构和构件的强度和延性、多道抗震防线、防止脆性增力口延性等。(1)场地选择的原则是需要避开地震时可能发生地基失效的松软场地，尽量选择坚硬场地。(2)无论建筑是在平面或立面上，其结构布置都要尽量使几何尺寸、质量、刚度延性等均匀、对称、规整，避免不连续变化。(3)由于结构物的破坏是来自地震动引起的结构振动，因此抗震设计应尽量使从地基传入结构的振动能量最小，并使结构物本身具有适当的强度、刚度和延性，从而防止不能容忍的破坏。在不改变刚度、不增加重量的前提下，可以通过提高总体强度和延性提高抗震能力。(4)若结构具有多道支撑和抗水平力的体系，即使建设工程的一道防线破坏后尚有第二道防线支撑结构，从而提高抗震能力避免建筑物倒塌。(5)脆性与失稳破坏常常导致倒塌，故应防止。这种破坏常见于设计不良的细部构造。

1.2延性在抗震设计中的重要性及其作用

结构抗震的本质就是延性，延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能。一般用延性比来表示。对于受弯构件来说，随着荷载增加，首先受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压区高度减小，受压区混凝士压碎，构件最终破坏。从受拉钢筋屈服列压区混凝土压碎，是构件的破坏过程。在这过程中．构件的承载能力没有多大变化，但其变形的大小却决定了破坏的性质。提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力。延性结构通过塑性铰区域的变形，能够有效地吸收和耗散地震能量，同时，这种变形降低了结构的刚度，致使结构在地震作用下的反应减小，也就是使地震对结构的作用力减小。当结构设计成为延性结构时。由于塑性变形可以耗散地震能量，结构变形虽然会加大，但结构承受的地震作用不会很快上升，内力也不会再加大，因此具有延性的结构可降低对结构的承载力要求，也可以说，延性结构是用它的变形能力来抵抗罕遇地震作用，反之，如果结构的延性不好，则必须有足够大的承载力抵抗地震。后者会多用材料，对于地震发生概率极少的抗震结构，延性结构是一种经济的设计对策。此外，延性可以使超静定结构的内力得以充分重分布，采用塑性内力重分布方法设计时，同样也可以节约钢筋用量，取得较好的经济效果。因此可以说结构的延性和结构的强度是同等重要的。延性好的结构的破坏我们称之为塑性破坏，延性差的结构的破坏我们称之为脆性破坏．塑性破坏能提前给人以预兆，是符合结构设计理论的。

1.3传统抗震技术的不足

传统结构抗震计算主要致力于保证结构自身具有一定的强度、刚度和延性，以满足一定的抗震设计要求。此时，结构处于被动抵御的地位，是一种消极的抗震方式。为了增强建筑结构抗震能力，目前出现了许多新的抗震新技术，如：隔震技术、耗能减震技术、吸振减震技术等”。这些新型隔震方法已经在国内外建筑结构设计领域广泛使用。

2 新型隔震技术

2.1隔震原理及特点

隔震技术是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层，使之与固结于地基中的基础顶面分开，从而限制地震动向结构物的传递，不至造成结构和设施的破坏，并能保证结构物上的重要设备和仪表正常运行。隔震、耗能减震与其他结构控制技术能为结构控制提供有效、经济、简单、可靠的抗震新方法。目前采用的基地隔震，主要应用于隔离水平地震作用。隔震层的水平刚度应显著低于上部结构的侧向刚度。常用隔震装置有：橡胶支座隔震、滚子隔震、滑动支座隔震、摇摆支座隔震。现在已有许多隔震建筑问世，如在北京建造的利用砂垫层隔震的强震观察室兼住宅、在美国建造的使用高阻尼橡胶垫隔震的复希尔法律司法中心、在新西兰建造的利用摆动桩隔震的奥克兰工会大楼等。另外，日本清水建设公司开发了一种名为“局部浮力”的抗震系统，即在传统抗震构造基础上借助于水的浮力支撑整个建筑物。局部浮力系统在上层结构与地基之间设置贮水槽，水的浮力承担建筑物大约一半重量。这样既减轻了地基的承重负荷，又可以把隔震橡胶小型化，降低支撑构造部分的刚性，从而提高与地基间的绝缘性。

基础隔震体系的特点：(1)增强了建筑物的抗震性能。由于在这种体系中设置了足够的隔震支座和减震阻尼器，能将地震作用下建筑物的振动减小一半以上，使上部建筑在地震下的反应很小。(2)维修方便。即使遇到超出设计的地震，上部结构物的损害也很小，需要更换的只是下部的支座和阻尼器。(3)具有良好的经济效益。在建筑物中采用基础隔震体系，能大大降低一般设计中庞大的地基造价；而且所有支座和阻尼器都可以在现场安装，显著地缩短了工期，带来较好的经济效益。(4)具有广阔的应用前景。基础隔震技术适用范围极其广泛，可应用于从低层到超高层范围内的所有建筑。

2.2隔震原理及特点

隔震技术具有一定的局限性，并不是对所有建筑都适用。首先，当建筑的结构周期大于1．5s时隔震效果很差；其次，隔震技术对硬土场地比较适合，因为软土场地滤掉了地震波的中高频分量，延长了结构周期，使地震反应增大：此外，隔震橡胶支座只具有隔离水平地震的功能，对纵向地震没有隔离效果；最后，没有空间安装隔震橡胶并提供足够宽的隔震沟时难以采用隔震技术。

2.3国内建筑隔震橡胶支座的研究现状与进展

隔震房屋在地震时的安全性主要取决于隔震支座的纵向承载能力、纵向刚度、水平变形能力、水平刚度和阻尼性能。隔震层必须具有足够的纵向刚度和纵向承载能力，能够稳定支撑上部建筑物；同时具有足够小的水平刚度，保证建筑物隔震后的自振周期达到1.5～3.0 s，以有效避开场地特征周期；还应具有足够大的水平变形能力，保证有足够的变形储备，以确保建筑物在大地震作用下不会出现失稳现象；此外还应具有足够的耐久性能，以保证在建筑物使用期限内能有效发挥作用。

目前国内外研究和应用较多的隔震技术是隔震橡胶支座隔震技术和摩擦滑移隔震技术，工程应用中两者均表现出了优越性。隔震橡胶支座隔震不能完全避免共振，而摩擦滑移隔震支座不能自动复位，一般需另外的复位系统，滑动性能离散性大，不易控制，滑移量过大有时会导致穿越隔震层的非结构构件被破坏，甚至可能发生滑移失稳。将这两种隔震方案并联复合使用可以充分融合其各自的优点，同时克服采用单一隔震技术的缺点，大大提高结构的抗震能力，是隔震技术的发展趋势。

玉树地震、汶川地震的发生极大地损害了我们国家和人民的利益，引起了国家对建筑物抗震防震的重视。传统结构设计只是考虑刚性，而新型隔震新技术通过吸收转化灾害能量，避免建筑发生破坏，是一种更有效的抗震方式。隔震技术的推广必然会推动我国防震减灾事业的发展。

参考文献：

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〔4〕张祖刚，陈衍庆．建筑技术新论．北京：中国建筑工业出版社．2007．

〔5〕丁攀攀，国内建筑隔震橡胶支座的研究现状与进展．橡胶工业．2009；56：506-510．