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摘 要:地震是一種危害性極大的自然災害,往往造成慘重的人員傷亡和巨大的財產損失。盡管人們盡了很大努力,但按照現代設計規范建造的建筑依然在地震中遭到嚴重破壞。這促使人們更進一步對抗震設計方法進行深入研究以減輕地震損失。本文對工程結構的防震技術--抗震、消震、隔震進行研究比較,指出隨著科技的發展,結構防震技術將由以往被動的“抗”逐漸轉向積極主動的“消”、“隔”,從而使防震效果更佳。
關鍵詞:工程結構 ;抗震;消震;隔震
Abstract: Earthquake is a natural disaster with great damage, and often causes heavy casualties and great damage to property. Although people do great efforts, the construction according to the modern design code still encounters damages in earthquake, which promotes people to future researching the seismic design method for mitigating earthquake losses. In this paper compares the anti-seismic technology, seismic weakening, isolation, and points out the development of science and technology that the structured seismic prevention technology will transform form the passive to posotive, with better seismic prevention effects.
Key words: engineering structure; seismic; seismic weakening; seismic isolation
中圖分類號:P426.1+1 文獻標識碼:A 文章編號:
地震是一種危害極大的突發性自然災害,工程的結構抗震技術是一項十分重要的高科技技術,它能有效避免和減少建筑物在地震中所遭受的損壞。因此,為減少震害,有效地防御地震,不斷地研究完善結構防震的理論與技術顯得十分緊迫且必要。
1工程結構防震技術的演變
工程抗震防災技術從20世紀初日本明確提出的靜力理論階段逐步發展到大大減小結構體系的剛度而形成的柔性結構體系,進而發展為增大上部結構剛度,減少結構底層剛度的柔性底層結構體系,后來又發展到目前我國及世界各國普遍采用的延性結構體系的傳統抗震方法。
傳統抗震方法以既定“設防烈度”為設計依據,以“抗”為主要途徑,通過適當控制結構物的剛度,使結構構件在地震時進入非彈性狀態且具有較大的延性,以消耗地震能量,減 輕結構的地震反應,使結構物“裂而不倒”。
2 結構的抗震
結構抗震技術是一種傳統的防震技術,抗震設防目標被形象地描述為“裂而不倒”,在現行的抗震設計規范中又將這一設防目標具體化為“小震不壞,中震可修,大震不倒”。為了達到這一目標,要求結構構件具有相當的強度和塑性變形能力。這種設計思想實際上是一種“疲勞戰術”,即是依靠建筑物的結構構件的強度和塑性變形能力,來抵抗地震作用和吸收地震能量,抵御地震作用立足于“抗”。傳統建筑物結構基礎固結于地面,猶如地面上的一個地震反應“放大器”,地震時建筑物受到地震的作用由上向下逐漸放大,從而使結構構件被破壞,建筑物內人員也會感到強烈的振動。為了保證建筑物的安全,必須加大結構構件的設計強度,耗用材料多。地震力是一種慣性力,建筑物的構件斷面大,所用材料多,質量大,同時受到的地震作用也增大,這樣很難在經濟和安全之間找到一個平衡點。同時傳統的抗震方法僅能解決7~9度區的設防問題,而結構在高裂度下被破壞,對此,目前的抗震方法尚無法解決。之所以如此,是因為通常的工程抗震方法不是御“患”于外,而是引“患”入內,讓地震波自然輸入上部結構,引起上部結構的強迫振動,然后采取增大構件截面尺寸,增加配筋量……等措施來抗震。應該說傳統的防震技術完全是一種被動的方法,要改變這種狀況,必須研究和采取有效的防震技術,于是有專家提出了“消震”技術。
3 結構的消震
結構消震構造措施和設計手段,對結構加以控制使之形成最佳耗能機構,以吸收和耗散地震能量。強調抗震與消震相結合,突出消震作用,即結構在地震作用下,做到“小震抗,大震消,中震抗消結合”,將設計與分析相結合,強調設計的主觀能動性。消震技術的關鍵是在結構的次要部位,通過設計分析,人為地采取一些構造措施,形成構造的薄弱環節,使之在地震作用到一定程度時,首先出現破壞,產生塑性變形,以變形消耗地震能量。例如對R.C剪力墻結構在聯系梁兩端,通過設計增加一些構造、措施,人為地設置塑性鉸。地震時保證梁兩端首先開裂破壞,待震后再修復加固聯系梁(較之加固被破壞的主體結構簡單易行)。
消震技術較抗震技術顯得積極主動些,加大了人的主觀能動性的作用,但仍需與“抗”相結合。雖然理論上可行,但實際操作上難度較大,不易實現況且以被破壞結構的次要部位來消耗地震能量,其代價也是相當大的。鑒于以上原因,人們又提出了結構的隔震技術。
4 結構的隔震
由于抗震和消震方法上存在缺陷,因此缺乏發展前途。要改變抗震方法的缺陷,需要變“抗”為“隔”,以“隔震”取代“抗震”或“消震”,這樣才能提高抵御地震災害的能力。
結構的隔震是在結構底部設置隔震措施,大幅度降低地震波向上部結構傳遞,從而明顯減輕或消除地震造成的災害。隔震比之抗震,技術手段發生了本質變化,因為二者抵御地震的途徑不同。
隔震屬結構控制范疇,結構控制系研究結構控制裝置的設計理論及方法。結構控制分主動控制(Active Control)和被動控制(Passsive Control)。主動控制是通過控制器向結構輸入能量,改變經過結構系統特性,使結構系統能指標函數極小,進而減小或抑制結構反應。從理論上講,主動控制可以針對具體情況,實現所需的任意控制狀態。主動控制原理先進,控制效果顯著,但由于控制力需要外部能源,故這種控制器的設置技術高,且費用昂貴。主動控制由于許多問題尚未解決,目前仍處于研究階段。被動控制包括基礎隔震、減震、耗能、使用調頻質量阻尼器(Tuned Mass Damper,簡稱TMD)等。被動控制的特點是結構簡單,工作可靠,易于控制,造價低廉,不需要外部能源,但對結構的控制有局限性。目前,國內外對結構的控制還是以被動控制為主。
一般結構隔震技術是在基礎和上部結構之間設置隔震元件,形成柔性底層,使基礎和上部結構斷開,延長上部結構的基本周期,從而避開地震地面運動的主頻帶范圍,減小共振效應,阻斷地震能量向上部結構傳遞,將其直接吸收或反饋回地面。采用隔震技術,上部結構的地震作用一般可減弱1/4~1/8,地震時建筑物上部結構的反應以第一震型為主,類似于剛體運動,基本無反應放大作用,從而保證建筑物的安全甚至避免小結構構件如設備、裝修被破壞。隔震技術的設防策略立足于“隔”,采用“拒敵于門外”的防御戰術,“以柔克剛”,利用專門的隔震元件,以集中發生在隔離層的較大的相對位移為代價,阻隔地震向上部傳遞,使建筑物有更高的可靠性和安全性。目前的隔震技術主要有以下幾種:
4.1 夾層橡膠墊隔震
夾層橡膠墊用天然橡膠墊或合成橡膠墊與鋼板夾層設置,此種隔震措施平時可承受垂直荷載、地震時能承受地震作用F,其水平方向可有一定位移,因此具有隔震效果。
4.2 滾軸隔震
結構支撐處設置雙層滾軸,每層滾軸的滾動方向彼此垂直,每層滾軸之間以墊板相隔。
4.3 雙柱系統
地下室的柱子是空心的,而且剛度較大,其內放置著承受整個上部結構荷載的很柔的柱子,該系統具有雙線性性狀,在地震作用下,允許內柱在一定限度內擺動。
4.4 懸掛吊式隔震
將上部結構懸掛起來,此種隔震措施效果較好,但懸掛吊裝置施工困難,造價昂貴,且易失靈。
4.5 螺旋彈簧支座隔震
螺旋彈簧由金屬材料制成,其材料為錳鋼、硅錳鋼和鉻釩鋼。螺旋彈簧的優點是材料和結構參數的可選范圍大,能適應不同的荷載變形,性能穩定、耐久性好。
4.6 阻尼器隔震
此系統是彈簧塑性阻尼器、粘性阻尼器及摩擦阻尼器。當地震發生時通過適度阻尼,吸收能量而起隔震作用。
5 隔震技術的發展方向
人類在與地震斗爭的過程中,防震理論和技術不斷進步,并在實踐中得到發展、完善。從單純的“抗”到“消”再發展到“隔”,抗震設防策略發生了重大改革和飛躍。尤其是隔震技術作為一種新興的建筑應用技術,代表著未來建筑防震技術的發展方向,已經受到越來越多的工程技術人員和其他專業人員的認可和關注,并且在推廣應用中必將逐步走向成熟。與此相應,關于隔震技術的應用設計規范、規程和產品標準也必將推動隔震技術的發展。
總而言之,目前我國地震形勢十分嚴峻,未來,幾年我國仍將處于地震活躍期。隔震技術應該為也能夠為減輕地震災害、保障人民生命、財產安全做出更大的貢獻。