谈工程结构防震技术发展方向

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2011-05-09 07:55 热度:

  摘要:本文对工程结构的防震技术--抗震、消震、隔震进行研究比较,指出随着科技的发展,结构防震技术将由以往被动的“抗”逐渐转向积极主动的“消”、“隔”,从而使防震效果更佳。
  关键词:抗震,消震,隔震
  
  1前言
  地震是一种危害极大的突发性自然灾害,1976年唐山地震和2008年汶川地震均造成巨大的生命与财产损失。为减少震害,有效地防御地震,不断地研究完善结构防震的理论与技术显得十分紧迫且必要。
  2结构的抗震
  结构抗震技术是一种传统的防震技术,抗震设防目标被形象地描述为“裂而不倒”,在现行的抗震设计规范中又将这一设防目标具体化为“小震不坏,中震可修,大震不倒”。为了达到这一目标,要求结构构件具有相当的强度和塑性变形能力。这种设计思想实际上是一种“疲劳战术”,即是依靠建筑物的结构构件的强度和塑性变形能力,来抵抗地震作用和吸收地震能量,抵御地震作用立足于“抗”。传统建筑物结构基础固结于地面,犹如地面上的一个地震反应“放大器”,地震时建筑物受到地震的作用由上向下逐渐放大,从而使结构构件被破坏,建筑物内人员也会感到强烈的振动。为了保证建筑物的安全,必须加大结构构件的设计强度,耗用材料多。地震力是一种惯性力,建筑物的构件断面大,所用材料多,质量大,同时受到的地震作用也增大,这样很难在经济和安全之间找到一个平衡点。同时传统的抗震方法仅能解决7~9度区的设防问题,而结构在高裂度下被破坏,对此,目前的抗震方法尚无法解决。之所以如此,是因为通常的工程抗震方法不是御“患”于外,而是引“患”入内,让地震波自然输入上部结构,引起上部结构的强迫振动,然后采取增大构件截面尺寸,增加配筋量……等措施来抗震。应该说传统的防震技术完全是一种被动的方法,要改变这种状况,必须研究和采取有效的防震技术,于是有专家提出了“消震”技术。
  3结构的消震
  结构消震构造措施和设计手段,对结构加以控制使之形成最佳耗能机构,以吸收和耗散地震能量。强调抗震与消震相结合,突出消震作用,即结构在地震作用下,做到“小震抗,大震消,中震抗消结合”,将设计与分析相结合,强调设计的主观能动性。消震技术的关键是在结构的次要部位,通过设计分析,人为地采取一些构造措施,形成构造的薄弱环节,使之在地震作用到一定程度时,首先出现破坏,产生塑性变形,以变形消耗地震能量。例如对R.C剪力墙结构在联系梁两端,通过设计增加一些构造、措施,人为地设置塑性铰。地震时保证梁两端首先开裂破坏,待震后再修复加固联系梁(较之加固被破坏的主体结构简单易行)。
  消震技术较抗震技术显得积极主动些,加大了人的主观能动性的作用,但仍需与“抗”相结合。虽然理论上可行,但实际操作上难度较大,不易实现况且以被破坏结构的次要部位来消耗地震能量,其代价也是相当大的。鉴于以上原因,人们又提出了结构的隔震技术。
  4结构的隔震
  由于抗震和消震方法上存在缺陷,因此缺乏发展前途。要改变抗震方法的缺陷,需要变“抗”为“隔”,以“隔震”取代“抗震”或“消震”,这样才能提高抵御地震灾害的能力。
  结构的隔震是在结构底部设置隔震措施,大幅度降低地震波向上部结构传递,从而明显减轻或消除地震造成的灾害。隔震比之抗震,技术手段发生了本质变化,因为二者抵御地震的途径不同。
  隔震属结构控制范畴,结构控制系研究结构控制装置的设计理论及方法。结构控制分主动控制(ActiveControl)和被动控制(PasssiveControl)。主动控制是通过控制器向结构输入能量,改变经过结构系统特性,使结构系统能指标函数极小,进而减小或抑制结构反应。从理论上讲,主动控制可以针对具体情况,实现所需的任意控制状态。主动控制原理先进,控制效果显著,但由于控制力需要外部能源,故这种控制器的设置技术高,且费用昂贵。主动控制由于许多问题尚未解决,目前仍处于研究阶段。被动控制包括基础隔震、减震、耗能、使用调频质量阻尼器(TunedMassDamper,简称TMD)等。被动控制的特点是结构简单,工作可靠,易于控制,造价低廉,不需要外部能源,但对结构的控制有局限性。目前,国内外对结构的控制还是以被动控制为主。
  一般结构隔震技术是在基础和上部结构之间设置隔震元件,形成柔性底层,使基础和上部结构断开,延长上部结构的基本周期,从而避开地震地面运动的主频带范围,减小共振效应,阻断地震能量向上部结构传递,将其直接吸收或反馈回地面。采用隔震技术,上部结构的地震作用一般可减弱1/4~1/8,地震时建筑物上部结构的反应以第一震型为主,类似于刚体运动,基本无反应放大作用,从而保证建筑物的安全甚至避免小结构构件如设备、装修被破坏。隔震技术的设防策略立足于“隔”,采用“拒敌于门外”的防御战术,“以柔克刚”,利用专门的隔震元件,以集中发生在隔离层的较大的相对位移为代价,阻隔地震向上部传递,使建筑物有更高的可靠性和安全性。目前的隔震技术主要有以下几种:
  4.1夹层橡胶垫隔震
  夹层橡胶垫用天然橡胶垫或合成橡胶垫与钢板夹层设置,此种隔震措施平时可承受垂直荷载、地震时能承受地震作用F,其水平方向可有一定位移,因此具有隔震效果。
  4.2滚轴隔震
  结构支撑处设置双层滚轴,每层滚轴的滚动方向彼此垂直,每层滚轴之间以垫板相隔。
  4.3双柱系统
  地下室的柱子是空心的,而且刚度较大,其内放置着承受整个上部结构荷载的很柔的柱子,该系统具有双线性性状,在地震作用下,允许内柱在一定限度内摆动。
  4.4悬挂吊式隔震
  将上部结构悬挂起来,此种隔震措施效果较好,但悬挂吊装置施工困难,造价昂贵,且易失灵。
  4.5螺旋弹簧支座隔震
  螺旋弹簧由金属材料制成,其材料为锰钢、硅锰钢和铬钒钢。螺旋弹簧的优点是材料和结构参数的可选范围大,能适应不同的荷载变形,性能稳定、耐久性好。

  4.6阻尼器隔震
  此系统是弹簧塑性阻尼器、粘性阻尼器及摩擦阻尼器。当地震发生时通过适度阻尼,吸收能量而起隔震作用。
  5隔震技术的发展方向
  人类在与地震斗争的过程中,防震理论和技术不断进步,并在实践中得到发展、完善。从单纯的“抗”到“消”再发展到“隔”,抗震设防策略发生了重大改革和飞跃。尤其是隔震技术作为一种新兴的建筑应用技术,代表着未来建筑防震技术的发展方向,已经受到越来越多的工程技术人员和其他专业人员的认可和关注,并且在推广应用中必将逐步走向成熟。与此相应,关于隔震技术的应用设计规范、规程和产品标准也必将推动隔震技术的发展。
  目前,我国地震形势十分严峻,未来,几年我国仍将处于地震活跃期。隔震技术应该为也能够为减轻地震灾害、保障人民生命、财产安全做出更大的贡献。

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