建筑抵抗地震的三種對(duì)策

建筑抵抗地震的三種對(duì)策

       防震抗震實(shí)踐表明:危害生命的不是地震本身，而是不結(jié)實(shí)的建筑。

地震發(fā)生時(shí)，建在地面上的建筑物會(huì)隨著地面一起搖晃，輕則造成建筑構(gòu)件、內(nèi)部設(shè)施、裝修損壞，重則造成建筑倒塌。通，常建筑抗御地震的對(duì)策有三種:抗震、減震和隔震。

抗震

“抗震”是讓建筑物能夠承受地震時(shí)發(fā)生的搖晃。要達(dá)到上述目的，一-是建筑的梁、柱、墻等承重構(gòu)件強(qiáng)度要能夠抵抗可能受到的地震作用(國(guó)家規(guī)定的本地區(qū)抗震設(shè)防烈度) ;二是構(gòu)件要有一-定的韌性，即使發(fā)生變形也不至于馬上破壞;三是要求建筑構(gòu)架穩(wěn)定，搖晃時(shí)不能散架。“抗震”靠加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性來(lái)抵抗地震，當(dāng)?shù)卣鹱饔昧Υ笥诮ㄖY(jié)構(gòu)抗力時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生破壞。傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)對(duì)地震的搖晃有放大作用，而且隨高度增加，這就是為什么住在高樓上的人對(duì)地震感覺(jué)更強(qiáng)烈的原因。

減震

“減震”是在建筑物內(nèi)設(shè)置可以吸收能量的稱之為“阻尼器”的各種裝置，阻尼器把建筑搖晃的部分能量“吸引”過(guò)來(lái)加以吸收和耗散，這樣作用在建筑構(gòu)件上的地震力和變形就減小了，建筑的搖晃程度就會(huì)減輕。相比之下“抗震”建筑完全以建筑自身構(gòu)件變形和損傷為代價(jià)來(lái)吸收地震能量。

隔震

“隔震”是直接將地震時(shí)沖擊力隔離，使之不能傳遞到建筑物上的-一種方式。房屋要與大地隔離自然會(huì)想到漂浮、滾動(dòng)、滑動(dòng)等方式。總之，就是要在地面與建筑物之間設(shè)置一個(gè)

柔軟的隔離層，地震時(shí)隔震層會(huì)隨地面產(chǎn)生大的變形，地震波的高頻(振動(dòng)快)成分就傳不上去，建筑上部結(jié)構(gòu)搖晃的周期被延長(zhǎng)，僅發(fā)生緩慢的平動(dòng)，構(gòu)件變形會(huì)很小，建筑的主體構(gòu)件、裝修和內(nèi)部設(shè)施都能夠得到了有效保護(hù)。

減震技術(shù)

研究表明，合理設(shè)置阻尼器可以使結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)減小30%左右。阻尼器種類(lèi)較多，如常用的金屬阻尼器、粘滯阻尼器，還有摩擦阻尼器、粘彈阻尼器和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等。

金屬屈服阻尼器

由于金屬在反復(fù)的塑性變形( 屈服滯回變形)過(guò)程中能吸收大量能量的特性，因而被用來(lái)制造各種類(lèi)型和構(gòu)造的耗能減震器。軟

鋼是是一一種低硬度，高塑性鋼材，是最常用的制作金屬屈服阻尼器的材料。高速公路的護(hù)欄使用的就是類(lèi)似的材料，當(dāng)車(chē)輛撞擊護(hù)欄時(shí)，護(hù)欄產(chǎn)生較大變形吸收撞擊能量，汽車(chē)的沖擊力得到緩沖。軟鋼作為耗能芯材也是制作屈曲約束支撐的核心材料。屈曲約束支撐( BRB)是一種軟鋼屈服耗能支撐構(gòu)件，通過(guò)軟鋼軸向拉壓屈服變形來(lái)消耗能量。普通支撐的抗拉和抗壓能力差異很大，受壓時(shí)很容易屈服彎曲。普通支撐屈曲后，承載力急劇降低失去支撐能力，且耗能能力較差。屈曲約束支撐( BRB)在支撐外部加設(shè)套管，約束支撐芯材的受壓屈曲，在拉力和壓力作用下都能達(dá)到全截面的充分屈服，具有飽滿穩(wěn)定的滯回耗能能力。

粘彈性阻尼器

粘彈性阻尼器由粘彈性材料和約束鋼板組成，典型的粘彈性阻尼器由兩個(gè)約束鋼板夾--塊鋼板組成，約束鋼板與中間鋼板之間夾有一層粘彈性阻尼材料。在反復(fù)軸向力作用下，約束鋼板與中間鋼板產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使粘彈性材料產(chǎn)生往復(fù)剪切滯回變形，以吸收和耗散能量。

粘滯阻尼器.

粘滯阻尼器利用粘滯流體通過(guò)節(jié)流孔時(shí)產(chǎn)生的阻力與速度成比例的原理制成，一般由缸體、活塞和粘性液體所組成。缸體內(nèi)裝有粘性液體，活塞上開(kāi)有小孔，當(dāng)活塞在缸體簡(jiǎn)內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體從活塞上的小孔流過(guò)而產(chǎn)生阻尼力，從而振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能而耗散。

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)

所謂“ 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器( TMD)”是在建筑上(通常為頂部)安裝一個(gè)由彈簧、阻尼器和質(zhì)量塊組成的減震系統(tǒng)，將TMD的頻率調(diào)整到與建筑的振動(dòng)周期-致，當(dāng)建筑在地震或風(fēng)

荷載作用下振動(dòng)時(shí)，TMD很容易產(chǎn)生共振，而TMD質(zhì)量塊的擺動(dòng)方向與原結(jié)構(gòu)相反，同時(shí)其阻尼也發(fā)揮耗能作用，這樣TMD將結(jié)構(gòu)振動(dòng)的部分能量吸收到自己身上，轉(zhuǎn)化成自身的動(dòng)能和阻尼耗能，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的。TMD常用于超高層建筑抗風(fēng)和抗震。

減震工程實(shí)例

減震技術(shù)適用范圍廣闊，幾乎可以用于所有類(lèi)型的建筑,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)，建筑、橋梁、構(gòu)筑物等。通常，結(jié)構(gòu)越高、越柔、跨度越大、變形越大，消能減震效果越顯著，適用于地震多發(fā)區(qū)各類(lèi)建筑抗震和沿海地區(qū)建筑抗風(fēng)等。

隔震技術(shù)

我國(guó)古代很早就已經(jīng)有了樸素的基礎(chǔ)隔震思想，例如北京紫禁城主要建筑都建于大理石高臺(tái)上，上面有一層柔軟的糯米層(類(lèi)似隔震層)，一定程度上隔離了地震作用。現(xiàn)代意義的基礎(chǔ)隔震技術(shù)興起于20世紀(jì)70年代，法國(guó)和新西蘭學(xué)者分別研發(fā)了由橡膠、鋼板疊合而成的橡膠支座和鉛芯橡膠支座，隔震技術(shù)進(jìn)人了實(shí)用化階段。目前，國(guó)內(nèi)外用于建筑的隔震裝置主要有橡膠隔震支座和滑移(滾動(dòng))支座兩大類(lèi)，最常用的是橡膠隔震支座。

橡膠支座隔震技術(shù)

使建筑物漂浮在空中或水上與地面完全隔離是很難實(shí)現(xiàn)的,但將建筑物建在柔軟的橡膠支座上可以達(dá)到隔離大多數(shù)地震能量的效果。橡膠隔震支座由薄層鋼板和橡膠相互疊合而成。當(dāng)橡膠支座受到豎向壓力時(shí)，由于薄層橡膠受到鋼板的約束，橡膠向側(cè)面膨脹擠出量很小，這樣橡膠支座就能支撐建筑物巨大的重量。

另一方面，當(dāng)橡膠支座受到水平剪力時(shí)，因?yàn)橄鹉z片水平向并沒(méi)有受到約束，所以橡膠水平向是柔軟的，可以發(fā)生較大的彈性變形，這樣地震時(shí)就可以隔離大多數(shù)的地震水平力傳到建筑物上。

橡膠隔震支座分為天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座三種。地震時(shí)，單純由鋼板和橡膠疊合而成的天然橡膠支座因?yàn)樽枘岷苄?，隔震支座水平變形大，建筑物?huì)擺動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間。鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座分別在橡膠支座中加入鉛芯這和使用高阻尼的橡膠材料，使得橡膠支座具有了足夠的阻尼，這樣橡膠隔震支座具有了吸收耗散地震能量的作用，隔震支座的水平位移減小，建筑能夠在較短時(shí)間內(nèi)停止擺動(dòng)而復(fù)位。橡膠支座具有很好的耐老化性能和抗疲勞性能，其耐久性能滿足建筑物的使用壽命。

滑移(滾動(dòng)) 支座隔震技術(shù)

滑移(滾動(dòng))支座的基本原理是在建筑物基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一個(gè)摩擦系數(shù)很小的滑移(滾動(dòng))面，地震時(shí)建筑物在滑移(滾動(dòng))面上做整體水平移動(dòng)。這種滑移作用削弱了地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，同時(shí)通過(guò)摩擦耗散了部分地震能量?；浦ёǔＳ芍误w、滑移材料和滑移板組成;滾動(dòng)隔震支座用高強(qiáng)度合金制成滑動(dòng)性能好的滾軸或滾球制成，由于滾動(dòng)摩擦系數(shù)很小，隔離水平地震的效果顯著。

滑移(滾動(dòng))支座由于自身不具備復(fù)位能力，使用需要附加.復(fù)位裝置，通常與橡膠隔震支座混合使用。1985年美國(guó)學(xué)者研發(fā)了摩擦擺式隔震支座，摩擦擺支座通過(guò)

滑動(dòng)界面摩擦消耗地震能量，承載力較大，地震時(shí)建筑物沿弧形滑動(dòng)面滑動(dòng)，且在重力分量作用下具有復(fù)位功能，因此在中大噸位橋梁具有廣泛應(yīng)用。

隔震工程實(shí)例

實(shí)例1: 1994年北嶺6.7級(jí)地震，南加州大學(xué)醫(yī)院為采用橡膠隔震支座的隔震建筑，地震記錄顯示建筑最大水平加速度只有基礎(chǔ)的一半，醫(yī)院在地震中絲毫未損，醫(yī)院功能得到維持，成為救災(zāi)中心，對(duì)震后緊急救援起到了十分重要的作用。而洛杉磯橄欖景醫(yī)院破壞嚴(yán)重，地震記錄顯示建筑水平最大加速度相對(duì)基礎(chǔ)放大了2倍多，醫(yī)院功能完全喪失。

實(shí)例2: 1995年 日本阪神7.2級(jí)地震，西部郵政大樓建是日本當(dāng)時(shí)最大的隔震建筑。地震記錄儀觀測(cè)到建筑最大水平加速度

只有地面的1/3-1/4,建筑震后功能完好，在救災(zāi)中發(fā)揮了較大作用。Matsumura-Gumi 研究所大樓為3層隔震樓，毗鄰的管理大樓是3層非隔震樓，兩棟建筑都得到了地震觀測(cè)記錄。隔震樓與非隔震樓最大加速度相差近10倍。

實(shí)例3: 2013年4月20日四川雅安發(fā)生7.0級(jí)地震以后，采用隔震技術(shù)修建的蘆山縣人民醫(yī)院外觀完整且受損較小引起人們關(guān)注，已然成為“樓堅(jiān)強(qiáng)”的代言人。與之相比，相鄰的兩棟非隔震醫(yī)療建筑內(nèi)部損傷嚴(yán)重，完全喪失功能，如圖7所示。

隔震減震技術(shù)的應(yīng)用

隔震減震技術(shù)已經(jīng)歷了40多年的研究發(fā)展歷程，全世界已建成數(shù)萬(wàn)棟的隔震減震建筑，其中日本發(fā)展較快、應(yīng)用最為廣泛，建成的隔震減震建筑超過(guò)萬(wàn)棟，最高的隔震建筑達(dá)190米。許多隔震減震建筑在全球的歷次大地震中表現(xiàn)出良好的抗震性能。特別是在2011年3月11日9.0級(jí)東日本大地震中，數(shù)千棟隔震建筑絲毫無(wú)損。

隔震減震技術(shù)在我國(guó)的研究應(yīng)用也超過(guò)30年，特別是建筑橡膠隔震支座在我國(guó)的應(yīng)用較為成熟，標(biāo)準(zhǔn)較為完善。目前國(guó)家已頒布了設(shè)計(jì)、產(chǎn)品、檢驗(yàn)、施工和驗(yàn)收維護(hù)等系列規(guī)范;

減震技術(shù)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品、檢驗(yàn)等規(guī)范也相繼出臺(tái)。隔震減震技術(shù)的良好減災(zāi)效果得到了社會(huì)各界的認(rèn)同，隔震減震技術(shù)廣泛應(yīng)用于學(xué)校、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、救災(zāi)中心和住宅等建筑。包括港珠澳大橋、北京新機(jī)場(chǎng)、昆明新機(jī)場(chǎng)等重大工程均采用了隔震減震技術(shù)。近年來(lái)，低成本、方便施工的簡(jiǎn)易隔震技術(shù)開(kāi)始在村鎮(zhèn)民居中應(yīng)用。

采用隔震減震技術(shù)雖然增加了專用裝置和附屬設(shè)施費(fèi)用，但由于采用隔震減震設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)所承 受的地震力減小，梁柱截面尺寸相應(yīng)減小，可減少鋼材和混凝土的用量，經(jīng)濟(jì)性較好。

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