劉 瑞 強(qiáng)

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

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建筑隔震和消能減震設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉 瑞 強(qiáng)

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

介紹了建筑隔震與消能減震技術(shù)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法，論述了建筑隔震與消能減震技術(shù)的原理和使用范圍，提出了建筑結(jié)構(gòu)常用的減震措施，并針對建筑減震技術(shù)中存在的問題，提出了建筑減震技術(shù)的發(fā)展方向。

建筑結(jié)構(gòu)，隔震技術(shù)，消能減震，概念設(shè)計(jì)

我國是一個(gè)多地震國家，地震的隨機(jī)性和突發(fā)性對人們生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失，面對傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的缺陷，人們不斷尋求新的結(jié)構(gòu)和技術(shù)來達(dá)到抗震或減震的目的。目前，隔震與消能減震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已經(jīng)得到了世界的廣泛認(rèn)可，同時(shí)已經(jīng)開始應(yīng)用在部分建筑結(jié)構(gòu)中，“隔震”與“消能減震”技術(shù)不同于傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的“抗震”，“抗震”結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為“以剛克剛”，即利用結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的變形力和承載力來抵抗地震作用，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖具有非常重要的意義，但是它最大的缺陷是當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇較大地震時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的構(gòu)件甚至承重結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生較大的破壞，地震過后的維修和加固需要花費(fèi)許多人力、物力和財(cái)力，而“隔震”與“消能減震”結(jié)構(gòu)則采用的是“以柔克剛”，隔震結(jié)構(gòu)的建筑物在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置有滑移層，阻止了地震輸入的能量向上部結(jié)構(gòu)的傳輸。消能減震結(jié)構(gòu)的建筑物是通過設(shè)計(jì)的消能部件和阻尼器先于結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形，吸收地震輸入能量，以減少結(jié)構(gòu)本身能量的輸入來達(dá)到減震的目的。

1 建筑隔震與消能減震技術(shù)

目前，隨著國內(nèi)外對建筑隔震與消能減震技術(shù)研究的不斷深入，隔震與消能減震技術(shù)得到了很大的發(fā)展，隔震技術(shù)的種類較多，大致可分為：基礎(chǔ)滾球隔震、基礎(chǔ)彈簧隔震、橡膠墊隔震、懸吊結(jié)構(gòu)隔震、基礎(chǔ)砂石墊層隔震以及結(jié)構(gòu)底層柔性柱隔震等，其原理基本都是利用這些隔震系統(tǒng)來減少地震能量向上部的輸入，隔震系統(tǒng)的存在能夠延長結(jié)構(gòu)自身的基本自振周期，通過適當(dāng)?shù)淖枘崾菇Y(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減少，地震傳來的能量將由隔震裝置轉(zhuǎn)化和吸收，阻止了能量向上部結(jié)構(gòu)的傳輸，從而減少了上部結(jié)構(gòu)的相對變形。

消能減震技術(shù)是把建筑結(jié)構(gòu)中的某些構(gòu)件(如支撐、剪力墻等)設(shè)計(jì)成消能部件或者在結(jié)構(gòu)物中的某些部位(連接或節(jié)點(diǎn)處)設(shè)計(jì)安裝阻尼器，消能部件和阻尼器的作用在于當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇風(fēng)或地震作用時(shí)，其會先于建筑結(jié)構(gòu)由彈性工作狀態(tài)進(jìn)而轉(zhuǎn)為塑性工作狀態(tài)，通過消能部件的塑性變形和阻尼吸收輸入的能量，以減少主體結(jié)構(gòu)的塑性變形，保證結(jié)構(gòu)的安全性，其中消能部件可由斜撐、剪力墻、梁或節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成，此外，在結(jié)構(gòu)的縫隙或構(gòu)件的連接處設(shè)置消能裝置，也能夠發(fā)揮很好的消能減震作用。采用消能減震設(shè)計(jì)，對建筑物的使用功能影響較小，減震較明顯，且布置相對靈活，同時(shí)地震力下布置的消能元件傳給與之相連構(gòu)件的附加力較少，對結(jié)構(gòu)不會造成不必要的破壞。

2 建筑隔震與消能減震概念設(shè)計(jì)和原理

2.1 建筑隔震的概念設(shè)計(jì)

廁所革命主要是對旅游廁所的革命。本研究從游客感知的角度出發(fā)，采用IPA分析法對青秀山景區(qū)旅游廁所的重要性和滿意度進(jìn)行評價(jià)，取得了如下認(rèn)識和成果：

概念設(shè)計(jì)在建筑抗震和隔震中占有非常重要的地位，在進(jìn)行工程抗震設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該做好概念設(shè)計(jì)階段，然后才是嚴(yán)謹(jǐn)、合理的抗震或隔震計(jì)算，最后則為抗震措施的選用。

建筑物隔震通常需要在建筑物與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震裝置，在地震作用下建筑結(jié)構(gòu)的水平變形大多集中在隔震裝置中，通過隔震裝置的變形吸收了地震傳給上部結(jié)構(gòu)的能量，以達(dá)到將地震作用隔離的目的，提高了建筑物的地震安全性。建筑物隔震的概念設(shè)計(jì)首要任務(wù)是確定隔震系統(tǒng)能夠允許的最大地震反應(yīng)、建筑物的結(jié)構(gòu)參數(shù)、地震反應(yīng)頻譜特性等，通過這些參數(shù)的確定可大致得到隔震層的總體參數(shù)。

2.2 隔震結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程

其中，Dh為近場系數(shù)；Fek為隔震層以上總的水平地震作用力；uh為隔震層允許水平位移；α為作用于隔震層以上設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)水平地震加速度；M為隔震層以上總的質(zhì)量。

消能減震結(jié)構(gòu)在地震作用下起反應(yīng)的關(guān)鍵是確定結(jié)構(gòu)的總剛度和總阻尼比，即：

(1)

將地面運(yùn)動(dòng)表達(dá)為傅里葉級數(shù)的形式：

即:

(2)

在概念設(shè)計(jì)階段可以主要考慮主頻的影響，則輸入地震的加速度可簡化為：

布爾用疑惑的神情望著伏尼契，伏尼契從口袋里拿出了兩張紙幣，說：“布爾叔叔，我想買一本書，一本被我損壞的書?！狈崞醢褤p壞書的經(jīng)過說出后，布爾驚奇地問：“你竟然用了兩周時(shí)間賣報(bào)來準(zhǔn)備賠償，我可不能接受，其實(shí)你不告訴我這件事，也就沒有人知道?！?/p>

(3)

其中，ω為輸入加速度的主頻率，一般取隔震結(jié)構(gòu)所在處的特征頻率；Ag為輸入加速度等效位移峰值。

由式(1)，式(3)可得建筑物位移是式(1)中系數(shù)的函數(shù)幅值函數(shù)為：

(4)

在一維模型下，隔震結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)衰減比η(隔震衰減比)可表達(dá)為：

我們列舉出其中較少爭議的部分(見表1.2)。詞作者無疑用這些典故給予了歌曲更古老繾綣卻又鮮活動(dòng)人的強(qiáng)烈感染力。

(5)

實(shí)行固定資產(chǎn)信息化管理，除初建系統(tǒng)時(shí)需要進(jìn)行大清查后將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)、對系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置、梳理和準(zhǔn)備好所需要的如人員庫、地點(diǎn)庫、單位庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外，日常管理中，只需要輸入相關(guān)的固定資產(chǎn)增加、變動(dòng)、處置數(shù)據(jù)。資產(chǎn)清查時(shí)，通過手持連接信息系統(tǒng)的掃描儀，對固定資產(chǎn)上的條碼標(biāo)簽進(jìn)行掃描，通過系統(tǒng)分析，可以得出賬實(shí)不符資產(chǎn)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)資產(chǎn)變動(dòng)和流失現(xiàn)象。相對以往的手工管理方法，信息化管理大大提高了工作效率。

Study on the Teaching Total Quality Management of Management Postgraduate

此外，在隔震設(shè)計(jì)過程中還需要估算出隔震層的總體剛度K的上限值：

值得注意的是，雖然不同消落地區(qū)由于淹水強(qiáng)度帶來的環(huán)境梯度效應(yīng)基本一致，但原生植被的種類組成、地形、人為干擾強(qiáng)度及土地利用方式并不完全相同，土壤基質(zhì)和消落程度的差異，適合消落帶生態(tài)恢復(fù)的植被結(jié)構(gòu)并沒有統(tǒng)一的模式，必須因地適宜，根據(jù)不同消落區(qū)域的特殊情況選擇適合生態(tài)修復(fù)的植被結(jié)構(gòu)。

由于建筑物在地震中的運(yùn)動(dòng)相對較小，且處于整體平動(dòng)狀態(tài)，因此在概念設(shè)計(jì)階段，通?？芍恍璐_定結(jié)構(gòu)在不同方向的一維平動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型(見圖1)。

在隔震層的總體剛度確定后，可根據(jù)建筑隔震設(shè)計(jì)將總體剛度分配到每個(gè)隔震支座上去，進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)。

2.3 隔震技術(shù)應(yīng)用范圍

長期掌管國民黨黨務(wù)的陳果夫曾提到，“黨的宣傳為民主自由，黨的訓(xùn)練為軍事化，黨的組織為學(xué)蘇聯(lián)，內(nèi)部是中國的。如此東拼西湊，不成一套，如何是好?”?國民黨體制所存在的上述矛盾實(shí)際上都導(dǎo)源于孫中山的建國程序設(shè)計(jì)。

國內(nèi)外研究表明，硬土場地較適宜采用隔震結(jié)構(gòu)的建筑，我國隔震結(jié)構(gòu)可適用于Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類場地，以剪切變形為主的體型結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)布置多為規(guī)則結(jié)構(gòu)，一般不采用隔震措施時(shí)基本周期不宜大于1.0s的建筑，此外，由于隔震層的存在，還應(yīng)考慮軟弱隔震層的抗傾覆能力，因此，在隔震設(shè)計(jì)中還應(yīng)對風(fēng)荷載以地震之外的其他水平荷載進(jìn)行相應(yīng)的限制。

2.4 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)

消能減震建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)罕遇地震或設(shè)防烈度下預(yù)期的結(jié)構(gòu)位移控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其原理從能量的角度可描述為：

傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)：Ein=Ev+Ec+Ek+Eh。

從上式可以看出傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系中，地震傳來的能量主要通過Eh耗散，這就意味著地震輸入的能量大部分由結(jié)構(gòu)自身的塑性變形吸收，若地震輸入結(jié)構(gòu)的能量過大，則很可能會造成結(jié)構(gòu)體系的嚴(yán)重破壞，失去承載能力，但在設(shè)計(jì)有消能部件的結(jié)構(gòu)，則由于消能部件會先于結(jié)構(gòu)構(gòu)件而產(chǎn)生塑性變形，吸收地震能量，而后才是結(jié)構(gòu)體系，有效地保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)。

我在清代筆記中發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的故事，說乾隆年間江蘇宜興有人研究老虎后，熬制了黏膠撒在老虎常常打滾的草叢里，而老虎愛干凈（這一點(diǎn)很像貓咪），不能忍受毛皮沾草，就舔啊舔，最終舔得煩躁，暴躁死掉。然后這個(gè)人就能比武松更輕松地獲得一只老虎。

一維模型的運(yùn)動(dòng)方程：

K=Ks+Ka。

其中，Ks為原結(jié)構(gòu)的剛度；Ka為消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效剛度。

ξ=ξs+ξa。

The authors need to be cautious in the performance of CSP for small (6-9 mm) polyps due to concerns about immediate bleeding and histopathological assessment.

其中，η2為阻尼調(diào)整系數(shù)，當(dāng)小于0.55時(shí)，應(yīng)取0.55；ξ為阻尼比。

入黨積極分子是黨員發(fā)展工作的重點(diǎn)對象，為新黨員發(fā)展質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。入黨積極分子是入黨的必要條件，不是充分條件，確定優(yōu)秀的入黨積極分子，對黨綜合素質(zhì)的提升以及踐行社會主義核心價(jià)值觀有著積極促進(jìn)作用。在入黨積極分子的確定過程中，首先由班級同學(xué)的推選，同學(xué)們對遞交了入黨申請書的團(tuán)員進(jìn)行投票。每位同學(xué)只能投小于等于規(guī)定的票數(shù)，否則所投票無效，受推選名額的限制，班級同學(xué)會對推選人員進(jìn)行全方位思考，是否適合成為入黨積極分子。票數(shù)高低可以反映出推選人員的群眾基礎(chǔ)，同時(shí)也反映出民主集中制原則，最終由學(xué)院黨總支確定入黨積極分子。

消能減震結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，與消能部件的類型、布置位置、數(shù)量及所提供的阻尼大小有關(guān)。一般情況下，大阻尼的阻尼矩陣不滿足振型分解的正交性條件，需直接采用恢復(fù)力模型進(jìn)行非線性靜力分析或非線性時(shí)程分析，但若主體結(jié)構(gòu)基本控制在彈性范圍內(nèi)時(shí)，可采用較為簡單的線性計(jì)算方法估計(jì)，對于振型分解反應(yīng)譜法，應(yīng)采用振型阻尼比計(jì)算。

手工書籍的創(chuàng)作特色就是其形態(tài)在很大程度上體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者的個(gè)性，它無需考慮工藝上的制約，只需要構(gòu)思并將其創(chuàng)作出來。例如，以“輪回”為主題，要求學(xué)生在書籍制作中表現(xiàn)出生命的循環(huán)新生。個(gè)性化手工書籍的制作者首先會在材質(zhì)上力求環(huán)保，在內(nèi)容上體現(xiàn)“輪回”的概念，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生在制作創(chuàng)意上避免與傳統(tǒng)書籍發(fā)生雷同，更追求書籍意境化和藝術(shù)性的表現(xiàn)方式。其中，書籍制作的紙張新舊、糙滑以及薄厚等都需要提前考慮，并通過最原始的手工方式制作，懷著崇敬的心情完成整本書籍的制作儀式。

2.5 消能減震結(jié)構(gòu)的使用范圍

（3）為了保障高速公路瀝青路面的最終施工質(zhì)量，最終的碾壓施工必須要在路面溫度為90～110℃之間勻速進(jìn)行，并且要換用重為12t的壓路機(jī)反復(fù)碾壓2～4遍。兩相互重疊的道路區(qū)域在碾壓的過程中要保障有1/3～1/2的壓路機(jī)輪寬重疊，并且壓路機(jī)要保證勻速向前行駛，進(jìn)而避免道路瀝青混合料發(fā)生推移現(xiàn)象。為了避免瀝青混合料粘連到壓路機(jī)的鋼輪上，可以在壓路機(jī)碾壓之前在鋼輪上噴灑一定量的水。在碾壓施工結(jié)束后，一般情況下道路的溫度還是比較高的，此時(shí)要確保道路路面的整潔，嚴(yán)禁在道路路面上放置相關(guān)施工設(shè)備，從而確保道路路面不被破壞，進(jìn)一步保障道路施工的最終質(zhì)量。

采用消能減震技術(shù)需要對建筑進(jìn)行抗震設(shè)防分類，要弄清楚場地條件、抗震設(shè)防烈度、建筑的使用功能、結(jié)構(gòu)選型及方案等情況，并結(jié)合安全和經(jīng)濟(jì)方面綜合考慮。一般情況下，消能減震技術(shù)可用于鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)等建筑，由于其可以減少結(jié)構(gòu)的水平和豎向的地震作用，故使用范圍較廣，結(jié)構(gòu)高度和類型均不受限制。

3 建筑減震措施

減震技術(shù)雖有許多種，但有些仍處于初步研究和設(shè)計(jì)階段，不能直接用于實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)中，除過上面論述的在建筑結(jié)構(gòu)中采用隔震和消能減震措施外，還有兩種較為常用的減震措施，這兩種減震措施分別為：1)采用高延性構(gòu)件：結(jié)構(gòu)的延性大就意味著結(jié)構(gòu)具有良好的變形和耗能能力，但設(shè)計(jì)的同時(shí)也應(yīng)該注意滿足承載能力的要求，一般在設(shè)計(jì)中常采用強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件以及強(qiáng)梁柱塑性鉸的方法以提高結(jié)構(gòu)的延性和安全性。2)提高結(jié)構(gòu)本身阻尼：理論研究表明，結(jié)構(gòu)對地震的反應(yīng)隨著阻尼比的增大和自振周期的加長而減少，結(jié)構(gòu)的阻尼隨著結(jié)構(gòu)類型、材料、地基情況等的不同而不同，尤其對于高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用阻尼較大的材料和結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以設(shè)置一定的阻尼器。

4 建筑減震技術(shù)當(dāng)前存在的問題

隔震與消能減震技術(shù)雖然在建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用，但也存在一些不足之處，比如：

1)目前，大多數(shù)隔震裝置在水平地震力作用下減震效果較好，但豎向地震荷載作用下的減震效果不明顯，由于豎向地震作用對大跨度、高聳和懸臂結(jié)構(gòu)的建筑影響較大，故對于這一方面的減震性能還需要進(jìn)一步的深入研究。2)研制和開發(fā)新型的隔震裝置、阻尼器和消能減震元件，設(shè)計(jì)出高性能的減震裝置。3)研制出一種既減震又便宜的減震裝置，由于當(dāng)結(jié)構(gòu)采用隔震裝置時(shí)會加大結(jié)構(gòu)的造價(jià)，這是業(yè)主不想看到的，所以這對隔震結(jié)構(gòu)在建筑中的大量應(yīng)用帶來了困擾。4)擴(kuò)展隔震結(jié)構(gòu)的使用范圍，加強(qiáng)研究對于軟弱地基、高層以及超高層結(jié)構(gòu)如何使用隔震裝置，以更好地實(shí)現(xiàn)安全、適用、耐久和經(jīng)濟(jì)的要求。

5 結(jié)語

在結(jié)構(gòu)中采用隔震和消能減震技術(shù)，對地震作用的降低具有非常明顯的效果，隔震與減震體系相比傳統(tǒng)的抗震體系更為安全、適用、可靠，在使用了隔震和消能減震的體系中，可以使結(jié)構(gòu)保持在彈性工作狀態(tài)，因此結(jié)構(gòu)的受力更加明確、合理，可利用線彈性理論對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，消能減震技術(shù)與傳統(tǒng)的抗震技術(shù)相比，地震反應(yīng)可以減少40%～60%左右，可以明顯節(jié)約工程造價(jià)和結(jié)構(gòu)加固造價(jià)，一般情況下，結(jié)構(gòu)越高、越柔、跨度越大，則消能減震效果越是明顯，所以消能減震裝置在超高層結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)以及橋梁等結(jié)構(gòu)中研究應(yīng)用必將成為新的趨勢。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 徐至鈞.建筑隔震技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[3] 唐家祥.建筑隔震與消能減震設(shè)計(jì)[J].建筑科學(xué)，2002(1)：62-63.

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[5] 姚謙峰，常 鵬.工程結(jié)構(gòu)抗震分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2012.

Design and application of building seismic isolation and energy dissipation

Liu Ruiqiang

(CollegeofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

The characteristics and design methods of building isolation and energy dissipation technology are discussed in this paper, the principle and application scope of building isolation and energy dissipation technology are analyzed, and also put forward the commonly used shock absorption measures in the building structure, and aiming at the existing problems in building vibration reduction technology, put forward the development direction of build vibration reduction technology.

building structure, seismic isolation technology, energy dissipation, conceptual design

1009-6825(2016)22-0055-03

2016-06-01

劉瑞強(qiáng)(1994- )，男，在讀本科生

TU352.1

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