浅谈建筑结构隔震减震技术的发展与应用

摘要：从隔震与耗能减震的设计原理、技术分类，以及我国隔震与耗能减震技术的应用方面进行了阐述，表明了隔振减震技术良好的发展前景。
　　关键词：建筑结构，隔震，耗能减震，阻尼器
　　1抗震设计思想的演化与发展
　　地震是最严重的自然灾害之一。自上世纪70年代开始相继发生了海城地震(1975年)、唐山地震(1978年)、台湾集集地震(1999年)和汶川地震（2008年）等一系列大地震，给人类带来了巨大的生命财产损失，这些使人们认识到提高结构抗震性能的重要性。
　　在抗震设计的早期，人们曾企图将结构物设计为“刚性结构体系”。这种体系的结构地震反应接近地面地震运动，一般不发生结构强度破坏，但这样做的结果必然导致材料的浪费，不经济。作为刚性结构体系的对立体系，人们还设想了“柔性结构体系”，即通过减少结构物的刚性来避免发生类共振，从而减轻地震力。但是，这种结构体系层间变形大、刚度不足，难以满足使用要求。长期的抗震工程实践证明：将一般结构物设计为“延性结构”是适宜的。然而，延性结构体系，仍然是处于被动地抵御地震作用的地位。所以，随着现代化社会的发展，延性结构体系的应用也有了一定的局限性。面对新的社会需求，各国地震工程学家一直在寻求新的结构抗震设计途径。以隔震、耗能减震技术为特色的结构控制理论与实践，便是这种努力的结果。
　　2 隔震与耗能减震设计原理
　　2.1 隔震设计原理
　　隔震设计是指在房屋底部设置由橡胶隔震支座和阻尼器等部件组成的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，增大阻尼，减少输入上部结构的地震能量，达到预期的防震要求。也就是说，通过隔震层的大变形来减少上部结构的地震作用，减轻地震破坏程度，使建筑物只发生轻微运动和变形，从而保障建筑物的安全，隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60％左右。
　　隔震设计能使结构的基本周期延长，以避开地震动的卓越周期，明显地减轻结构的地震反应，使上部结构处于正常的弹性工作状态。隔震体系抗震措施简单明了，还能降低房屋造价，而且震后修复方便，震后只需对隔震装置进行必要的检查更换，有明显的社会效益和经济效益。
　　2.2 耗能减震设计原理
　　耗能减震设计指在房屋结构中设置耗能装置。通过其局部变形提供附加阻尼，以消耗输入上部结构的地震能量，从而使主体结构构件在罕遇地震下不发生严重破坏。
　　耗能减震技术具有构造简单，造价低廉，适用范围广，维护方便的优点，既适于新建工程，也适用于已有建筑物的抗震加固改造；既适用于普通建筑结构，也适用于抗震生命线工程。
　　3 隔震与耗能减震技术的分类
　　3.1 隔震技术的分类
　　隔震技术的分类方法多种多样，按固定或绝缘的方法，在地基和上部结构之间进行分类，具体可根据其对象不同分为3类。
　　1)地基隔震
　　地基隔震可分为绝缘和屏蔽2种。
　　(1)绝缘是希望在地基自身中降低输入波的方法，从而达到隔震的目的，软弱地基或像人工地基那样较软的地基有降低输入加速度的性质。高刚性基础则还可利用地下逸散减震。
　　(2)屏蔽是在建筑物周围挖深沟或埋人屏蔽板等将卓越长周期的剪切波(S波)隔断的方法，但这种方法不能屏蔽直下型输入波。
　　2)基础隔震
　　所谓基础隔震是在上部结构与基础之间安装隔震系统，将基础和上部结构隔离开来，以减小水平地面运动向上部结构的传递，从而达到减小上部结构振动的目的。可分为周期延长、能量吸收和绝缘等方法。
　　3)上部结构隔震
　　上部结构的隔震方法分为能量吸收和附加振动体两种形式。能量吸收型是在建筑物的任意层设置弹塑性阻尼器、粘性体阻尼器、油阻尼器或摩擦阻尼器等各种阻尼器以吸收地震能量。附加振动体型式则是在建筑物的任意层上加设振动体，构成新的振动体系，将振动由结构物本身向附加振动体转移。
　　3.2 耗能减震技术分类
　　1)粘弹性阻尼器。其是阻尼力与速度成比例或成幂次方关系的线性或弱非线性粘弹性元件。通常用有机硅和其他高分子材料制成。其主要优点是没有明显的闽值，对大震和小震都能起作用。应用中的关键问题是如何提高材料的弹性模量、变形能力和减小温度影响。
　　2)粘滞阻尼器。一般是利用活塞推动油缸中的油通过节流孔时产生阻尼力的原理制成。其可以设计出线性或非线性油阻尼器。由于油阻尼器不提供附加的刚度，不会因安装阻尼器而减小结构的自振周期，从而增加地震作用。因此更适合对已有结构进行抗震加固。
　　3)摩擦阻尼器。其本身虽具有理想弹塑性特点，但可以通过与主体结构串并联使用，获得具有接近双线性滞回特性的阻尼耗能效果，常用的形式有简单摩擦阻尼器、Pall摩擦阻尼器、钢丝绳摩擦阻尼器等。这些可以用普通材料制作，适合在多层和高层建筑中使用。
　　4)软钢和合金阻尼器。其属于弹塑性阻尼器，具有丰满的滞回特性，可以串联在支撑构件中，也可以设置在剪力墙顶部、粱的中间部位以及其他相对变形较大的部位。其中有一些可以与基础隔震机构并联使用。
　　5)铅阻尼器。其具有理想的弹塑性性质，其滞回特性呈矩形，与摩擦阻尼器很相似，虽然屈服极限可调，但一经设定就不能改变。在这种情况下如果屈服极限选择得太低，在大震作用下变形将明显增大，耗能能力相应减弱；反之如果屈服极限选择太高，在中小地震中将不起阻尼耗能作用。因此，研究人员已开始探索和开发对小震和大震都能起很好作用的铅阻尼器。
　　4我国隔震与耗能减震技术的应用
　　4.1隔震技术的应用
　　1980年，由冶金部建筑研究总院李立主持，在北京采用砂砾层隔震的方法建造了几座单层隔震房屋和北京中关村一幢4层砖混房屋，这是我国最早的隔震建筑。1993年，由广州大学周福霖主持，在汕头市建成我国第一座夹层橡胶垫隔震房屋。1993年，由建筑科学研究院周锡元、王亚勇等主持，在新疆独山子建成我国第一座滑移板隔震房屋。1994年，由华中理工大学唐家祥、刘再华主持，在安阳市建成我国第一座采用铅芯叠层橡胶隔垫的隔震房屋。目前，我国已建成600多座隔震建筑物，分布在全国l6个省、市。
　　4.2 耗能减震技术的应用
　　潮汕星河大厦位于汕头市金环路东侧，是一座综合性高层建筑。工程在采用了28个复合型铅粘弹性阻尼器后，结构的阻尼比由5%增大至11%，最大层间位移角由1/740减小至1/893。复合型铅粘弹性阻尼器能有效地增加结构的阻尼比，减小结构的层间位移，达到了减震的目的。该工程是国内高层钢－钢筋混凝土混合结构中安装阻尼器的第一个工程，也是采用耗能减震技术进行高层建筑结构加层的第一个工程。
　　5结语
　　隔震与耗能减震技术同传统抗震体系相比，具有巨大的优越性，在突发性的超过设防烈度地震中不破坏、不倒塌，既保护建筑结构本身，又保护建筑物内部的仪器设备及人员的安全，经济适用，将成为建筑抗震的主体。今后的研究可以集中在标准化、优化设计、细部构造、新产品的开发和完善方向，新产品的开发应以低价、高效和高性能为目标，为减轻地震灾害提供新的技术和方法，具有十分良好的发展前景。
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