張波
建筑結(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐微探
張波
地震主要是因地面運(yùn)動,迫使地面原有靜止?fàn)顟B(tài)的建筑物遭受動力作用而出現(xiàn)強(qiáng)迫振動,進(jìn)而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)內(nèi)力與變形,通過動力學(xué)剖析發(fā)現(xiàn),具體是指經(jīng)由震害分析得以修正和補(bǔ)充,最終獲得建筑物基于地震作用形成的反應(yīng)機(jī)理和破壞形式,據(jù)此得出相應(yīng)的計算方法和設(shè)計原則,具有良好的應(yīng)用效果。
眾所周知,一旦出現(xiàn)地震,將會帶來嚴(yán)重的后果,危及生命與財產(chǎn)安全,為盡可能地減少財產(chǎn)損失,人們加大了在建筑減隔震方面的探究。本文首先簡單剖析建筑減隔震結(jié)構(gòu),然后介紹減隔震當(dāng)前的控制情況,最后探討未來的主要發(fā)展方向。
通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)件整體的變形能力和強(qiáng)度來制衡地震反應(yīng),可在較大程度上削弱地震,但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,還應(yīng)探究減隔震裝置,一旦出現(xiàn)地震,可讓構(gòu)件剝離于地震地面運(yùn)動,以免有過多的能量傳送至建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)容,借此來實(shí)現(xiàn)對主體結(jié)構(gòu)的有效保護(hù)。簡單來說,結(jié)構(gòu)減隔震除外可增強(qiáng)建筑物的整體抗震能力,也能夠縮減工程造價,并可增加工程效益。
減隔震技術(shù)的中心思想為通過不同的方法使得建筑主體結(jié)構(gòu)可與地面運(yùn)動最大限度地分隔開。我們可借助結(jié)構(gòu)延長來躲避地震周期,進(jìn)而讓微小的地震能量傳送至建筑主體結(jié)構(gòu),以此來控制地震損失。經(jīng)由相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),若結(jié)構(gòu)周期延長,則結(jié)構(gòu)位移會增加,進(jìn)而對結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生一定的挑戰(zhàn)。同時,因結(jié)構(gòu)柔性作用,還可能在基本狀態(tài)下出現(xiàn)有害震動。為此,我們務(wù)必要全面管控有害震動,最大限度地規(guī)避不良變形。另外,還可提升阻尼作用,利用結(jié)構(gòu)阻尼作用來吸收一定的地震能量,以此來削弱地震反應(yīng),增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
從減隔震技術(shù)的層面而言,一般可經(jīng)由三個途徑來提升減隔震效果,站在這三個途徑能夠把其劃分成地基隔震、上部隔震和基礎(chǔ)隔震,且同類型的隔震具有不同的特點(diǎn),我們應(yīng)區(qū)別看待。
積極抗震
通過震源產(chǎn)生震動,再經(jīng)由傳播途徑傳送至結(jié)構(gòu)中,以此引發(fā)震動反應(yīng)。針對不同階段采取對應(yīng)的震動方法,便形成了積極抗震,主要包含下述四點(diǎn)內(nèi)容:
震源。消震為經(jīng)由震源震動強(qiáng)度削弱來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)震動控制,然而因地震源無法確定,外加規(guī)模龐大,截止到當(dāng)前,仍不具備可行的措施把震源強(qiáng)度降低到特定程度。
傳播途徑。隔震是利用某種裝置把地震和結(jié)構(gòu)隔開,其基本作用為削弱與調(diào)整地震過程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與方式,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)削弱結(jié)構(gòu)震動這一目的。通常存在基底隔震與懸掛隔震這兩種方法。
結(jié)構(gòu)。被動減震為經(jīng)由特定措施來吸收地震傳送至主結(jié)構(gòu)中的能量,以此來削弱結(jié)構(gòu)震動。被動減震包含耗能減震、吸震減震以及沖擊減震這三種方法。
反應(yīng)。主動減震是依照結(jié)構(gòu)自身的地震反應(yīng),經(jīng)由執(zhí)行機(jī)自主地為結(jié)構(gòu)添加一定的控制力,以此來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)震動這一目的。
結(jié)構(gòu)隔震和減震方法
相關(guān)研究最早著手于上世紀(jì)中期,隨后快速發(fā)展。上述積極抗震法和傳統(tǒng)消極抗震進(jìn)行對比,主要具有下述優(yōu)點(diǎn):
削弱地震作用。可削弱地震作用,進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)造價,增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時,隔震方法還能夠有效控制傳送至結(jié)構(gòu)中的極限震力,以此來填補(bǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計環(huán)節(jié)無法精準(zhǔn)明確載荷的問題。
控制地震變形。控制地震變形,讓非結(jié)構(gòu)構(gòu)件免遭地震破壞,以此來縮減震后維修經(jīng)費(fèi),以代表性的現(xiàn)代化建筑為例,非結(jié)構(gòu)構(gòu)件所占費(fèi)用在房屋總造價中的比重達(dá)到了80%左右。
懸掛隔震。懸掛隔震讓結(jié)構(gòu)的所有質(zhì)量都懸掛起來,致使地震無法傳送至主體質(zhì)量中,形成一定的慣性力,借此來達(dá)到隔震的目的。無論是在橋梁還是在火電廠鍋爐架中,懸掛結(jié)構(gòu)均得到了廣泛應(yīng)用。
基地隔震。在夾層橡膠墊隔震中,隔震裝置所用橡膠墊塊既可選取天然橡膠,還可選取人工合成橡膠,為加強(qiáng)墊塊的整體垂直承載力與豎向剛度,通常利用橡膠片和薄銅板來制作橡膠墊塊。
鉛芯橡膠支座促使支座具有適宜的初始剛度,經(jīng)由風(fēng)載與制動力等不同作用保持優(yōu)良的剛度,進(jìn)而迎合正常使用標(biāo)準(zhǔn),但出現(xiàn)強(qiáng)地震時,則裝置開始柔性滑動,促使整個體系涌向消能狀態(tài)。
在滑動支座自身的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間安裝相互滑動滑板。當(dāng)風(fēng)載和制動力減小時,則靜摩擦力讓上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)穩(wěn)地固定在基礎(chǔ)中,當(dāng)發(fā)生大震時,則結(jié)構(gòu)水平滑動,削弱地震作用,同時,利用摩擦阻尼來消耗一定的地震能源。
以往借助結(jié)構(gòu)延性形成的抗震措施主要以某種損傷為代價來削弱地震反應(yīng),融入整合效能技術(shù)能夠控制結(jié)構(gòu)損傷,并可應(yīng)用在不同的結(jié)構(gòu)中,對應(yīng)減震效果也很少依賴于地面運(yùn)動特性,同時,耗資較少,值得推廣。但我們應(yīng)認(rèn)識到的一點(diǎn)內(nèi)容是增大阻尼在抑制結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)與變形的環(huán)節(jié)會讓結(jié)構(gòu)絕對速度與加速度提升,進(jìn)而對內(nèi)部設(shè)備以及人員產(chǎn)生不利影響。
以短周期地面運(yùn)動作用的中短周期結(jié)構(gòu)為例,基礎(chǔ)隔震所產(chǎn)生的減震效果和消能技術(shù)相比更加優(yōu)良,然而,在地面運(yùn)動輸入中具有較強(qiáng)的敏感度,無法真正規(guī)避共振危險。另外,半上動控制與混合控制方法能夠迎合不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),在地面運(yùn)動與結(jié)構(gòu)不確定方面具有優(yōu)良的適應(yīng)能力,能夠增加結(jié)構(gòu)安全性,在整合智能元件后,整體的效果也更加優(yōu)良,值得大面積推廣與應(yīng)用。
綜上可知,建筑進(jìn)行減隔震處理以后,即便遭遇地震,結(jié)構(gòu)主體也不會發(fā)生任何破壞,我們僅需在震后及時調(diào)整支座高強(qiáng)螺栓與錨固鋼擋板,以此來迎合小震不壞與中震可修等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),這是一種可行、有效的解決辦法,值得推廣應(yīng)用。
(作者單位:山東省建筑設(shè)計研究院)