隔震技术的基本原理及其发展趋势--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

隔震技术的基本原理及其发展趋势

发表时间：2020/8/11 来源：《基层建设》2020年第10期作者：袁梦醒

[导读] 摘要：当今社会科技飞速进步，隔震技术也在不断发展。隔震技术具备力学机理清晰、模型简单、减震效果明显等优点，因此在工程结构中被广泛应用。

        广州大学广东广州 510000
        摘要：当今社会科技飞速进步，隔震技术也在不断发展。隔震技术具备力学机理清晰、模型简单、减震效果明显等优点，因此在工程结构中被广泛应用。依据隔震原理，在地震作用下，隔震层因其较小的水平刚度而发生较大的水平位移，可以很好地耗散地震能量，从而保证上部结构的安全，以达到隔震效果。针对隔震支座的分类展开分析，通过对直接建设费用和减少损失费用这两项费用来对比隔震结构与传统抗震结构的经济性，得出隔震结构的未来发展趋势。
        关键词：隔震结构；隔震支座；经济性；发展趋势
        引言
        地震是最具毁灭性、突发性的自然灾害之一，中国是一个多震的国家，强烈地震或突发地震给我国造成了庞大的经济损失和人员伤亡[1]。1976年，我国唐山发生7.8级大地震，百万人口的唐山市在片刻之间被彻底摧毁，死亡人数约24万人。1995年日本阪神发生的7.2级大地震中大约5400余人死亡，经济损失达到1000亿美元之多。2004年，由强地震引起海啸直接造成印尼周边国家超过28万人失踪和死亡。2008年，我国又一次发生了震惊全国的地震——5.12汶川地震（如图1所示），共造成十多万人死亡和失踪。由于地球内部构造极其复杂，地震又具有不确定性，以目前的科学技术水平甚至未来很长一段时间内都不能预测到地震的发生，所以现阶段并不能通过提前预测到地震的到来来大幅度降低人类的伤亡与经济水平。传统抗震建筑物主要考虑场地、形状、提高构件的强度、刚度和延展性等，从而使所设计的建筑做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”来减轻地震灾害[2]。对于当代高速发展的社会，传统方法的抗震建筑设计已经不能满足需求，于是大批学者进行了研究创新并提出了隔震技术，使本身会往上部结构传输的能量被隔震层吸收、耗散，从而达到更好地保护建筑物上部结构的效果。
        1隔震结构的原理
        简单来讲，抗震以“抗”为主，整体比较“刚”；而隔震主要强调“隔离”，因此隔震的原理[3]就是把隔震装置设置在构筑物的某个位置比如基地，通过橡胶隔震支座将原有固结的结构一分为二隔离开来，将震源和被保护物体隔离起来，我们称之为隔震层。隔震层的水平刚度相较于建筑物其他结构层而言水平刚度小的多，在地震动的作用下使该层的上部结构与下部结构相互分离，起到隔离和耗散地震所带来能量的作用，从而减小结构的震动反应，使得建筑物的上部达到同步且较小的水平移动，可以保证构筑物在地震动作用下正常使用。所以说隔震装置对隔震效果的起着非常大的作用。
        1.1基础隔震技术
        当今隔震技术日渐完善，基础隔震是最早出现也是最早成熟的隔震体系。基础隔震结构把建筑物分为上（上部结构）、中间（隔震层）和下（下部结构）这上中下三部分。隔震层位于上部结构和基础之间，使得结构上下分离，地震作用时可有效阻止地震产生的巨大能量向上输入，从而有效地降低上部结构动力反应。
        1.2层间隔震技术
        层间隔震技术的特点是将隔震层设置在结构的某个中间位置，隔震层的位置已不再局限于基础之上，一般设置在层与层之间，是在基础隔震技术的基础上发展而来的一种隔震技术。根据隔震层位置、隔震层上下部分结构可以得出多种层间隔震形式。
        1.3消能减震技术
        消能减震技术重点强调“放”，指在结构中把结构的一些（比如非结构）构件更换为消能减震构件，通过这些构件的滞回耗能以耗散地震输入能，从而减轻地震作用时结构在外界荷载作用下的反应。
        2隔震支座的分类
        随着隔震技术不断发展与进步，现在的隔震技术日趋完善，隔震的方式也越来越多。隔震装置系统里隔震支座是最核心的部分。根据我国和其他国家对隔震技术的研发，隔震装置[4]种类大致可以分为多种，其中建筑工程上常用到的是叠层橡胶隔震垫装置。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆

而在一般工程上天然叠层橡胶支座（NRB）与铅芯橡胶隔震支座（LRB）配合使用，而我国近年也在致力于开发新型高阻尼橡胶隔震支座（HDR）以弥补传统炭黑-橡胶凝胶结构来增加橡胶阻尼的传统支座。
        3隔震技术经济性分析
        工程的造价一般分为两部分，第一部分时直接建设费用，第二部分是使用期间维护及失效后损失及维修费用。因此本文研究的传统的抗震结构与隔震结构的经济性比较可从这两个方面分析。
        从直接建设费用方面考虑，对于运用隔震技术建造的建筑物，上部结构地震能量减小，因此构件截面尺寸及配筋量可以适当减小，有的结构型式、结构方案也可以进行适当调整，作为一种比较成熟的结构，对比传统的抗震措施，隔震结构上部结构各部分的工程造价会降低很多。从上部结构设计考虑，隔震结构优于抗震结构。但是传统抗震结构与隔震结构在设计和分析计算等方面都有很大区别。隔震结构在隔震层部分的设计费用上要比传统的抗震设计增加很多，并且还要计算相关构件费用，比如隔震器和阻尼器，需要特别说明的是，阻尼器和隔震器的费用依赖于布置的效率，如果在考虑安全可靠度的基础上尽可能使阻尼器和隔震器承担的荷载越大，效率就会随之越高；设置了隔震层之后，挡土墙也必须加强，地下土方的开挖及必要的运输量增加。因此从隔震层设计考虑，隔震结构的费用略高于抗震结构。通过对大量工程分析发现：大部分建筑物层数较多、且上部结构及隔震层设计合理的情况下，如果采用隔震技术，对比传统的抗震技术而言，不仅可以提高各类建筑物的安全可靠度，而且可以降低造价一定幅度。
        从使用期间维护及失效后损失方面考虑，在地震来临时，隔震体系一般通过橡胶隔震支座将原有的结构分为上下两部分，由于橡胶隔震支座水平刚度小，减小地震作用时能量向上输入，达到隔震、减震要求。上部结构的层间位移减小，使得部分构件地震作用下能量向上输入减少，结构变形集中发生在橡胶隔震支座部位，因此大大的降低了上部结构的地震能量；此外，一些非结构构件或设备在小、中震下基本不损坏，大震作用下也可以减小破坏程度，因此，隔震结构比传统抗震结构在地震中产生的损失的费用要小的多。地震引起的结构损失对国家和人民来说都是不可估量的，地震来临时，由于位移超限而引起结构构件变形，主要承重结构和一部分非承重结构会被破坏，这是我们平常说的“楼塌，门窗损坏等硬损失”；而与之同时的时各层楼具有惯性，由于加速度引起的包括家具、顶棚或者设备的破坏部分也是一笔不小的损失。传统的抗震结构建筑物很难做到同时减小位移和加速度引起的这两种损失，所以从试用期间的维护和失效后损失方面讨论，隔震结构远远优于传统的抗震结构。
        综合所述的两类分析，总体而言两种结构造价基本持平，隔震结构的隔震层需要特别设计时，有时会略微增加造价，但不会有太大除非入能控制在一定范围内。特别重要的是，遭遇大震后，隔震结构以其优越的结构优势能很大程度地减少结构损失，因而后期需要费用小很多，所以各项费用综合考虑在内的话，隔震建筑具有更高的经济效益。
        尽管当今社会隔震技术在不断得完善，但是作为一种新的抗震技术、新的发展趋势，对比以往的抗震技术还是有很多优点，总体来说隔震层的设计是隔震结构的重点，隔震层设计要先能满足安全可靠度的范围，在此基础上做出性价比相对较高的设计是当今社会建筑市场的趋势所向，今后的发展方向应该是集中在研究新型橡胶材料用于隔震支座的制作。
        结语
        首先阐述了隔震结构的原理，详细描述了基础隔震、层间隔震和消能减震技术；列出了隔震支座的分类；并且通过对直接建设费用和减少使用期间维护及失效后损失及维修费用两部分费用来对比隔震结构与传统抗震结构的经济性，得出隔震结构的未来的发展趋势。
        参考文献：
        [1]胡聿贤. 地震工程学[M]. 北京：地震出版社，1988.
        [2]中华人民共和国标准（GB50011-2010）. 建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.
        [3]施卫星，王群. 层间隔震原理和设计方法[J]. 工程抗震，1997（2）：20-22.
        [4]熊焱，吴迪，崔杰. 抗震规范中隔震装置的地震风险分析[J]. 振动与冲击，2015，34（13）：109-114.