关键词：隔震消能减震抗震设计
0概述
地震是一种自然现象，全世界每年大约发生500万次地震，大多数地震都需灵敏的仪器才能测量到，而人能直接感知的也就大约占1%左右。我国是多地震国家，地震区分布广大，历次大地震给人民生命财产带来了巨大损失。
建筑物除了承受竖向荷载外，还要承担风和水平地震荷载的作用，建筑物越高，这个水平荷载效应就越明显。我国41%的国土、50%以上的城市位于地震烈度7度以上的地区，面临的地震灾害形势非常严峻。地震是人类面临的最严重的突发性的自然灾害之一，对人类社会造成很大的危害:1976年唐山发生的7.8级强烈地震，倾刻间，百余万人口工业城市被夷为平地，造成24.2万人死亡，16.4万余人重伤。自1900年有记录以来，我国死于地震的人数达55万之多，占全球地震死亡人数的53%。随着经济的高速发展，城市化使人口和财富高度密集，强烈地震造成的伤亡和损失将越来越大，地震后的修复和城市的复兴就越有难度，对国家经济发展和社会稳定的冲击也将更为剧烈。
近些年来，四川的汶川地震、青海的玉树地震以及最近的日本地震都造成了巨大损失，这都是有目共睹的。因此在建筑结构设计中是否充分考虑抗震问题、是否合理的运用了相关的抗震措施是事关人民生命财产安全的重要问题。建筑结构中的抗震设计尤为重要。隔震和消能减震是建筑结构减轻地震灾害的有效技术。适应我国经济发展的需要，有条件的利用隔震和消能减震来减轻建筑结构的地震灾害，是完全可能的。
我国的抗震设防目标是小震不坏，中震可修，大震不倒。这就要求结构构件具有足够的承载力和塑性变形能力。而传统的结构抗震是依靠结构自身的抵抗能力，让建筑物基础固结于地面，但地震反应的特点是由底向上逐渐放大，为了保证建筑物的安全，提高结构的承载力，必须加大构件的截面，这样既造成了较多的材料消耗，也使建筑物自重增大得不偿失。
隔震和耗能减震是建筑结构减轻地震灾害的新技术、新方法和新途径。所谓隔震就是立足于隔，利用专门的隔震元件，以集中发生在隔震层的较大位移为代价，阻隔地震能量向上部结构的传递，使建筑物有更高的可靠性和安全性。
1传统抗震方法的不足以及隔震技术的发展
地震造成的破坏给人类留下的烙印是深刻的，建造抗强烈地震的建筑物和构筑物成为建筑工程领域重要的课题。为了抵御地震灾害，通常的建筑结构设计采用的是抗震设计，强调的是抗，即采用延性结构体系适当控制结构物的刚度，但容许结构构件(如梁、柱、墙、节点等等)在地震时，进入非弹性状态，并且具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反映，使结构物裂而不倒。这种体系在很多情况下是有效的，但也存在很多局限性:首先，由于结构物的承重构件在地震时进入非弹性状态，对某些重要的结构物是不容许的(纪念性建筑、装饰昂贵的现代化建筑、原子能发电站等);其次，对于一般性建筑，当遭遇超过设防烈度地震时，由于主体结构已发生严重非弹性变形，在地震后难以修复或在强地震中严重破坏，甚至倒塌，其破坏程度难以控制;再次，随着地震强度的增大，结构的断面和配筋都相应增大，造成经济的浪费。
传统结构抗震基础隔震结构
随着科技高速发展和节能环保为主题的今天，对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高，使延性结构体系的应用日益受到限制，传统的抗震结构体系和理论越来越难以满足要求，而由于隔震、消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，在未来的建筑结构中将得到越来越广泛的应用。
上世纪末，有专家学者设想在建筑物上部结构和基础之间设滑移层作为隔离装置，阻止地震能量向上传递。1921年日本东京的帝国饭店基础，采用了密集短桩穿过硬土层，伸到软泥层底部，利用软泥土层作为隔震垫的做法,这一隔震设计方法使该建筑在1923年的关东大地震中保存完好。早期的隔震建筑还有南斯拉夫的贝斯特洛奇小学、新西兰的威廉惠灵顿大楼等。美国与日本的有些隔震建筑也分别在洛杉矶北岭的6.8级地震和日本阪神的7.2级地震中经受了考验。我国从上世纪60年代开始关注隔震理论的研究，近年来已取得了很多成果与经验。我国隔震建筑目前已应用于多个省市自治区，已设计和建成的隔震房屋数量仅次于日本，其中较有代表性的有:汕头全国第一幢隔震住宅楼，被联合国评价为世界隔震技术发展的第三个里程碑；北京通惠家园住宅区隔震住宅楼；全国第一座铁路隔震桥梁新疆布谷孜大桥(9孔，各32m)；全国第一座隔震公路桥梁石家庄石津渠桥(3孔，各14m)等。我国在《国务院关于加强防灾减灾工作的通知》(国发〔2004〕25号文)中提出了防灾减灾的奋斗目标，势必对隔震减震技术的发展有新的推动作用。
2隔震、消能减震
2.1减振与隔振的概念
减振是工程上防止振动危害的主要手段。减振可分为主动减振和被动减振。主动减振是在设计时就考虑消除振源或减小振源的能量或频率，被动减振有隔振和吸振等。隔振又可分为主动隔振和被动隔振。
2.2隔震与消能减震原理分析
传统的建筑结构设计以小震不坏、中震可修、大震不倒为建筑设计的设防标准。按这种设防标准设计的建筑结构在遇到小、中型地震时，依赖结构吸收、消耗地震带来的能量具有可行性。这种建筑结构在设计时虽然采取严格的设计，但在遇到超过设计所能抵抗的大地震时，仍不能保证建筑结构的安全。这也使得很多专家致力于寻找在各方面优于传统建构结构设计的新体系。
2.2.1建筑结构的隔震原理
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。
1991年，橡胶垫隔震减震器获美国发明专利，它是一层橡胶一层钢板的多层反复重叠，并在其中心部位钻孔，安放铅芯棒所组合而成的装置。我国较成熟的隔震支座包括中硬度橡胶隔震支座、低硬度橡胶支座、滑板支座和弹性滑板支座等。
建筑结构隔震层的设计改变了建筑上部结构的周期，从而降低了上部结构对地震的反应，进而确保了上部结构即使在遇到强烈地震时也仍处于弹性状态，甚至能保持在自然弹塑性变形的初期状态。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。
2.2.2耗能减震结构原理
消能减震设计指在房屋结构中设置消能装置，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。当建筑结构承受地震带来的能量时，耗能装置和耗能部件通过产生弹塑性来滞回变形，从而，吸收、消耗地震带来的巨大能量，减少主体建筑结构受地震巨大能量的影响，进而达到减振、控震的目的。
消能装置通常由阻尼器、耗能支撑等组成。消能部件可根据需要沿结构的两个主轴方向分别设置，宜设置在层间变形较大的位置，消能器应具有足够的吸收和耗散地震能量的能力和恰当的阻尼。消能装置不改变结构的基本形式，房屋的抗震构造与普通房屋相比不降低，其抗震安全性可有明显的提高。此外，消能装置应安装在便于维护人员接近和操作的位置。
消能减震技术具有构造简单、造价低廉、适用范围广、维护方便等优点，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。
2.3隔震与消能减震的设计步骤
2.3.1隔震设计的步骤
(1)隔震方案的确定。
隔震方案的确定应综合考虑建筑物高度和层数、最大高宽比、结构类型、场地等因素。隔震技术对体型基本规则的低层和多层建筑比较有效，对高层建筑的效果不大。隔震方案在选用时，建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并应选用稳定性好的基础类型。为保证隔震结构具有可靠的抗倾覆能力,风荷载和其他非地震水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。
(2)确定隔震层位置。
隔震层宜设置在结构第一层以下的部位，橡胶隔震支座设置在受力较大的位置，其规格、数量和分布根据竖向承载力、侧向刚度和阻尼的要求通过计算确定。隔震层在罕遇地震下应保持稳定，不宜出现不可恢复的变形；隔震层橡胶支座在罕遇地震作用下不宜出现拉应力。
(3)隔震支座的选型、布置。
由上部结构计算出每个支座上的轴向力，确定出每个支座的直径，进行隔震支座的平面布置，隔震支座布置时应力求使质量中心和刚度中心一致。
(4)计算水平减震系数；计算隔震后各层分布的地震力。
按减震系数进行设计，隔震层以上结构的水平地震作用和抗震验算，构件承载力大致留有0.5的安全储备。
(5)验算隔震层的水平位移。
(6)隔震层下部的计算。多个隔震支座的水平剪力按刚度分配。
(7)由于橡胶隔震支座对竖向地震没有隔震效果，还需验算竖向地震作用。
(8)构造要求。
隔震层顶部应设置平面内刚度足够大的梁板体系。隔震支座附近的梁、柱应加密箍筋，必要时配置网状钢筋。
有关隔震层和上部结构的其他措施按规范规定采用。
2.3.2消能减震设计步骤
计算消能减震结构的关键是确定结构的总刚度和总阻尼。
(1)根据建筑物的重要性标准、设防烈度、场地条件等因素，结合罕遇地震作用下预期结构位移控制要求，确定结构的减震要求。
(2)确定结构构件的断面尺寸。
(3)选择消能器及其类型，确定消能器数量和分布。
(4)选择合适的分析方法进行消能减震抗震设计。
(5)采取必要的构造措施。
2.4隔震与减震技术
粘弹性阻尼结构
粘弹性阻尼结构的风洞试验、地震模拟振动台试验及大量的结构分析表明，在结构中安装粘弹性阻尼器可减小风振反应和地震反应40～80%，可确保主体结构在强风和强震中的安全性，并使结构在强风作用下，结构的舒适度控制在规定的范围内。西雅图哥伦比亚中心大厦起初是因为在风振的影响下，顶部几层有明显的不舒适感，按上粘弹性阻尼器后，不再有不舒适感，效果良好。若采用加大刚度的方法来获得同样的效果，需要把现有的柱尺寸扩大一倍，价值约800万美元，显然采用增加刚度的办法在经济方面是难以接受的，而采用粘弹性阻尼器所用的试验及安装费用仅70万美元。在北京的银泰中心也设置了粘滞阻尼器，试验结构证明有很好的减震效果。由此可见，采用粘弹性阻尼器减小建筑的风振或地震效应在经济上是相当可观的。
吸能减震
吸震减震是通过附加子结构，使结构的震动发生位移，即使结构的振动能量在原结构与子结构之间重新分配，从而达到减小结构震动的目的。目前，工程结构应用的吸震减震装置主要有:调谐质量阻尼器(简称TMD)，调液(柱)阻尼器(简称TLD或TLCD)，悬吊质量摆阻尼器(简称SMPD)和质量放大器。屋面上的水箱也起到一定的减震效果，相当于TMD。
单个TMD的结构形式
金属阻尼器
是在框架中加屈曲约束支撑，在常规荷载下，起到支撑的作用，而在地震作用下，金属支撑通过塑性变形来消耗地震的能量，从而起到保护主体结构的作用。这在抗震加固的工程中得到广泛的应用。
冲击减震
冲击减震是依靠附加活动质量与结构之间的非完全弹性碰撞达到交换动量和耗散动能进而实现减小结构地震反应的技术。实际应用时，一般在结构的某部位(常在顶部)悬挂摆锤。结构震动时，摆锤撞击结构使结构震动衰减。另外，摆锤还兼有吸振器的功能。
2.5建筑结构的振动控制技术
传统建筑抗震设计，主要利用结构自身来吸收、消耗地震带来的能量以满足设防抗震的标准，虽然能在遇到较小地震，起到比较好的效果，但毫无疑问这是一种比较消极被动的抵抗地震的方法。科学有效的抗震方法是通过采用结构振动控制技术来达到抗震目的，即通过对结构本身施加振动控制系统，让其与结构本身一同发挥抗震作用，以减轻建筑结构的抗震反应。建筑结构的振动控制分为主动控制、被动控制、半主动控制和混合控制。
2.5.1主动控制
结构主动控制是利用外部能源，在结构受激励振动过程中，对结构施加控制力或改变结构的动力特性，从而迅速地减小结构的振动反应。主动控制系统主要包括传感器、控制器和作动器三个组成部分。传感器测量结构反应或外部激励信息。控制器处理传感器测量的信息，实现所需的控制律，其输出为作动器的指令。作动器产生控制力，所需的能量由外部能源提供，控制力有时通过一个辅助子结构作用到受控结构上。主动控制的工作原理为:传感器监测结构的动力响应和外部激励，将监测的信息传人计算机内，计算机根据给定的算法计算出控制力的大小，最后由外部能源驱动作动器产生所需的控制力而施加于结构上。由于实时控制力可以随输人地震波改变，因此控制效果基本不依赖于地震波的特性，这方面明显优于被动控制。
目前有关主动控制的研究内容主要分为主动控制算法和主动控制装置研究两部分。主动控制装置主要有主动质量阻尼系统(AMD)、主动拉索系统(ATS)、主动支撑系(ABS)、主动空气动力挡风板控制系统(ADA)和气体脉冲发生器控制系统(PC)等。主动控制算法是主动控制的基础，它的目标是使主动控制系统在满足其状态方程和各种约束条件下，选择合适的增益矩阵，寻找最优的控制参数，使系统达到较优的性能指标，实现对结构的最优控制。主动控制算法主要有:经典二次线性最优控制、极点配置控制、独立模态空间控制、随机控制、自适应控制、滑移模态控制、模糊逻辑控制、神经网络控制、遗传算法控制等。
2.5.2被动控制
被动控制是指不需要借助外部力量的振动控制技术，它通过在建筑结构的某个空间部位添加子系统，或通过对结构自身构件构造上的处理，来改变结构自身的动力特性。被动控制是目前结构应用开发的热点，很多被动控制技术也已日趋成熟完善，在实际操作中应用广泛。被动控制从其控制机理上来看可分为两大类：基础隔震与耗能减震。
2.5.3半主动控制
半主动控制是通过利用控制机构来自动调节建筑结构在地震中的参数，来达到减震目的，其对外部力量的需求很低，需用强电，只由弱电(如蓄电池)就能完成。半主动控制通常采用开关进行控制，通过对开关的操作来改变控制系统的工作状态，进而改变建筑结构的动力特性。目前较典型的半主动控制的装置有：可变刚度系统、主动调节参数质量阻尼系统、可变阻尼系统和可控摩擦式隔震系统等装置。
2.5.4混合控制
混合控制是对主动控制与被动控制的联合运用。混合控制系统利用了主动控制与被动控制的综合优点，它既能通过被动控制装置耗散大量地震能量，也能有效利用主动控制装置来保证控制的效果，因此混合控制有着良好的建筑工程应用价值。
混合控制装置有以下几种：主动质量阻尼系统与调谐液体阻尼系统结合形成的混合控制；主动控制装置与阻尼耗能装置结合的混合控制装置；基础隔震与主动控制装置相结合的混合控制等。
2.6隔震与消能减震的效果
2.6.1明显有效地减轻结构的地震反应
从振动台地震模拟试验结果及美国、日本建造的隔震结构在地震中的强震记录得知，隔振体系的结构加速度反应只相当于传统结构(基础固定)加速度反应的1/3～1/10。这种减震效果是一般传统抗震结构所望尘莫及的。从而能非常有效地确保结构物或内部设备在强地震冲击下免遭任何毁坏。
2.6.2确保安全
在地面剧烈震动时，上部结构仍能处于正常的弹性工作状态。这既适用于一般民用建筑结构，确保居民在强地震中的绝对安全，也适用于某些重要结构物和重要设备(如医院、实验室、核电站)。
2.6.3降低建筑物造价
多层隔震房屋比传统多层隔震房屋节省房屋土建造价，并且安全度大大提高。
2.6.4震后修复方便
地震后，只对隔震装置进行必要的检查更换。而无需考虑建筑结构物本身的修复，地震后可很快恢复正常生活或生产，这带来极明显的社会效益和经济效益。
3结束语
隔震减震技术作为一门新兴应用技术,是具有十分良好的发展前景的。它为建筑的抗震设计和抗震加固提供了一条崭新的途径，同传统的抗震体系比较,隔震与减震技术具有安全有效、适用、机理明确、效果显著，安全可靠等优点。特别是在应对突发性的地震灾害时，隔震和减震技术的应用起到的减少震中破坏、倒塌，一方面既保护了人民的生命财产安全，同时也保护了建筑结构本身，其存在的优势决定了该项技术在工程应用具有广泛的发展前景。
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