張俊強(qiáng) 劉志超
摘 要:本文介紹了減震、隔震的方法及其在我國建筑領(lǐng)域的應(yīng)用情況。指出了隔震和耗能減震亟待解決的問題
關(guān)鍵詞:建筑物;隔震;現(xiàn)狀和展望
0 引言
各種震動源,如爆炸、打樁、結(jié)構(gòu)物倒塌與地面撞擊、地震等都會引起震動源附近結(jié)構(gòu)物的振動,當(dāng)振動超過一定程度,會引起結(jié)構(gòu)物開裂,地基沉降等,嚴(yán)重的會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的破壞,隨著人們生活水平的提高對居住環(huán)境的要求也更加嚴(yán)格,因此控制地震動的大小是工程施工及設(shè)計(jì)部門的一大難題。
目前解決地震動問題的方法主要有以下兩種,第一種是減少震動源的強(qiáng)度,這是主動防護(hù)方法;對工程爆破,在不能減少一次爆破裝藥量的前提下,采用分段延時(shí)爆破技術(shù)可有效地減弱地震動,對樁基施工問題,采用靜壓或鉆孔的施工方法來代替錘擊或振動沉管的施工方法,這樣可有效地控制地震動對結(jié)構(gòu)物的破壞,當(dāng)減少震動源強(qiáng)度方法仍無法滿足附近結(jié)構(gòu)物的振動控制要求或震動源不受人為控制時(shí),常采用第二類方法,即被動防護(hù)的方法;其中最常用的主要有設(shè)置隔震溝等方法來減弱地震動的大小。
1 結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)控制方法
地震發(fā)生時(shí),地面的地震反應(yīng)引起結(jié)構(gòu)物的地震反應(yīng)?;A(chǔ)固結(jié)于地面的建筑物,如同一個(gè)地面地震反應(yīng)的“放大器”,結(jié)構(gòu)物的地震反應(yīng)沿縱向從下到上逐級放大,如果結(jié)構(gòu)物某部分的地震反應(yīng)過大,可使建筑飾面、裝修等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件毀壞室內(nèi)昂貴儀器或設(shè)備遭受破壞,甚至使主體承重結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞或倒塌,為免上述震害,人們必須對結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)進(jìn)行控制。目前采用的主要方法有:
剛性結(jié)構(gòu)體系。它能大大增加結(jié)構(gòu)物的剛度,使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)接近地面地震反應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)體系較難實(shí)現(xiàn),也很不經(jīng)濟(jì)。
柔性結(jié)構(gòu)體系。它能大大降低結(jié)構(gòu)物的剛度,使結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)減少,地震作用減少。但這種體系位移過大,使建筑裝飾等破壞嚴(yán)重,并且在風(fēng)荷載或輕微地震作用下剛度不足,影響正常使用,因此在很多情況下這種體系是不現(xiàn)實(shí)的。
延性結(jié)構(gòu)體系。它能適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度,使結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài),且具有較大的延性,以消耗地震能量,減輕地震反應(yīng), 使結(jié)構(gòu)物裂而不倒,這也是目前世界各國普遍采用的抗震方法。這種方法在很多情況下是有效的,但也存在前述的局限性。
柔性底層結(jié)構(gòu)體系。它能保證結(jié)構(gòu)上部的剛度,減小結(jié)構(gòu)底層的剛度,使結(jié)構(gòu)底層在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)。震害表明,這種體系雖能減少上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),但底層柱列變形過大,破壞嚴(yán)重,甚至倒塌。
隨著社會的發(fā)展,對建筑物抗震設(shè)計(jì)的安全性和適用性提出了更為嚴(yán)格的要求,特別是工業(yè)向高精度技術(shù)發(fā)展,采用上述那些傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法有時(shí)不能適應(yīng)工程的實(shí)際需要,這樣,隔震體系、耗能減震體系及其它結(jié)構(gòu)控制體系就應(yīng)運(yùn)而生了。
2 目前常用隔震方法介紹
2.1 設(shè)置隔震溝
工程上常用的隔震溝有兩種即硬溝和軟溝。硬溝方法是在要防護(hù)方向設(shè)置一排樁來減弱地震動,但此方法造價(jià)高,故工程上使用較少;軟溝是指在主要防護(hù)方向上挖掘一條地溝或人為制造的破碎帶,用來減弱地震動,此方法簡便易行且造價(jià)較低,但缺點(diǎn)是開挖時(shí)會人為造成邊坡失穩(wěn)及附近土介質(zhì)沉陷的問題,因此溝深不會太大,從而會影響減震效率。
2.2 設(shè)置橡膠墊隔震裝置
橡膠墊隔震裝置包括天然橡膠墊,標(biāo)準(zhǔn)多層橡膠墊,內(nèi)包阻尼體橡膠隔震墊,鉛芯橡膠隔震墊等。橡膠墊隔震技術(shù)已比較成熟,性能可靠、穩(wěn)定。橡膠墊隔震技術(shù)既適于新建結(jié)構(gòu),也適于原有結(jié)構(gòu)物的抗震加固及震后修復(fù); 既適于一般民用房屋,也適用于構(gòu)筑物、橋梁、鐵路及 地鐵等土木工程; 既適于砌體結(jié)構(gòu),也適于框架結(jié)構(gòu); 既適于多層建筑,也適于中高層建筑(≤20 層)。此外還可用于加層及移位建筑中。
2.3 滑移隔震
在房屋基礎(chǔ)底面處設(shè)置鋼摩擦滑板、石墨、砂料、涂層墊層及聚四氟乙烯(PTFE)等材料形成滑移層,使建筑物遭遇地震時(shí),通過該處不連續(xù)介面的滑移錯(cuò)動,部分地切斷地震波的傳播,限制上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)?;聘粽鸺夹g(shù)具有簡單易行、造價(jià)低廉、性能穩(wěn)定、隔震效果受地面運(yùn)動頻率特征影響較小和幾乎不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn),是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的隔震體系,特別適用于多層砌體結(jié)構(gòu),因而在我國有廣闊的發(fā)展前景。
2.4 滾動隔震
用高強(qiáng)合金制成的滾珠(滾軸)涂以防銹或潤滑層后置于上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間,地震作用下,通過滾珠及滾軸滾動而達(dá)到隔震的目的。滾動隔震主要有雙向滾軸加復(fù)位消能裝置、滾球加復(fù)位消能裝置、滾球帶凹形復(fù)位板、碟形和圓錐形支座等幾種形式。研究表明,設(shè)計(jì)合理的滾動支座具有良好的穩(wěn)定性、限位復(fù)位功能和顯著的隔震效果。
3 隔震和減震亟待解決的問題
隔震和耗能減震都屬被動控制系統(tǒng),不需外部能源,一般只對某種設(shè)定的地震動特性進(jìn)行控制,缺乏跟蹤和調(diào)節(jié)能力。目前對于隔震及減震亟待解決的問題有:
隔震溝用于地震動的被動防護(hù)在工程中有許多問題需要研究解決,如溝的寬度對隔震效率的影響,溝的深度與隔震效率之間的關(guān)系,溝的平面形狀對隔震效率的影響等等,所有這些問題研究可以通過用理論研究與現(xiàn)場試驗(yàn)方法進(jìn)行,但現(xiàn)場試驗(yàn)方法介質(zhì)情況單一,試驗(yàn)過程控制困難,因此探討有效的理論研究方法將會成為隔震溝隔震機(jī)理研究的熱點(diǎn)。
隔震裝置、耗能減震裝置的研究與開發(fā): 一方面要對現(xiàn)有的隔震、耗能減震裝置進(jìn)行進(jìn)一步研究,消除其局限性,擴(kuò)大其適用范圍;另一方面要研究開發(fā)新的、有效的、經(jīng)濟(jì)效益好的隔震、減震裝置
智能材料,如形狀記憶合金(SMA)在結(jié)構(gòu)減震中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究;智能化結(jié)構(gòu)抗震體系的研究。
隔震、減震裝置耐久性安裝、維修與更換的研究。
隔震、減震系統(tǒng)可靠性研究。
隔震、減震結(jié)構(gòu)體系的算法、簡化方法和設(shè)計(jì)方法(規(guī)程)的研究。
4 結(jié)語
對建筑物進(jìn)行隔震、減震處理將會使得建筑結(jié)構(gòu)體系變得更加有效、安全、適用、可靠,并且可以降低造價(jià),它們在工程中有著廣泛的應(yīng)用前景。可以預(yù)言隔震、減震技術(shù)將成為21世紀(jì)建筑結(jié)構(gòu)防震、減震的重要手段,必將為減輕不利震動對人類造成的危害作出貢獻(xiàn)。
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