建筑结构设计的隔震减震研究

沈红霞 许家村 陈玲玲

山东省纺织建筑设计院有限公司 山东 济南 250013

我国对于建筑结构中的隔震减震有着一定的研究历史，最早起源于20世纪70年代，那时已经形成了隔震减震理念。随着我国建筑行业飞速发展，建筑规模日益扩大化，建筑结构设计中，隔震减震规划显得尤为重要，隔震减震主要是为了预防地震灾害的影响，将其延伸影响降至最低。进入21世纪，人们对于安全问题愈加重视，建筑作为人们居住的场所，确保安全性是非常重要的，地震对建筑结构造成的破坏非常大，在建筑结构中采用隔震减震技术，可以将这种不好的影响降至最低，好的隔震减震设计，可以达到一个较为理想的应用效果。我国在隔震减震方面的研究还处于起步阶段，很多方面还不成熟，为了进一步推动隔震减震研究，要对隔震减震进行系统化的分析和试验，测试相关数据指标，使之能够更好地应用于建筑结构中，达到一个理想的防震效果。

随着经济水平的稳定增长，城市化建设进程越来越快，建筑工程数量越来越多，建筑主要是为人们提供居住的场所，结构稳定性对于人们的生命安全有着重要作用。在自然灾害中，地震是破坏性较大的一种灾害，对人们的生活会造成多方面的影响，严重威胁到人们的生命安全，一旦发生地震，对于建筑结构会造成极大的损坏，破坏性非常大，人们生活水平的提高，对建筑结构的安全性越来越重视。也正是如此，在建筑结构设计中，隔震减震成为研究重点，建筑结构具有综合性特点，包含了多个连接节点，隔震减震设计要兼顾各个方面的影响因素，要从建设结构整体角度出发，进行有序的规划和完善。在众多自然灾害中，地震是地质灾害的一种，而且地震造成的破坏性非常大，牵涉范围比较广，在地质不稳定的板块更容易出现地震的情况。2008年，四川汶川发生了特大级地震，地震等级达到了8.0，所造成的破坏非常大，当地的工厂、教学楼、建筑物等全部坍塌，造成的人员伤亡和财产损失是不可估计的，也正是那次事故出现之后，人们更加重视到建筑结构中隔震减震的重要性。地震是无情的，不会给人们留有任何余地，我们能够做的，就是在建筑结构设计中，加大隔震减震的应用，弱化地震带给建筑结构的影响，使建筑结构保持一个相对稳定的状态，最大限度上保障人们的生命安全。隔震减震设计是一个综合性的过程，贯穿了整个建筑结构，通过消能器延伸结构阻尼，扩大结构的延伸指标，提高结构水平的承压能力，使建筑结构能够更好地削弱地震反应，减少与地震共频的情况，提高结构稳定性。通过隔震减震在建筑结构设计中的应用，进一步降低了建筑结构与地震的加速反应，总体下降了三分之二，可以规避结构受风荷载作用发生偏移，建筑结构保持一个相对稳定的状态[1]。

2.1 隔震技术的发展

对于建筑结构来说，隔震技术主要起到预防的作用，要想达到一个较为理想的隔震效果，需要构建完善的阻隔体系，采用叠合橡胶的方式，提高建筑结构的隔震指标，在这个过程中，需要使用到橡胶支座、支撑摆动隔震、滚动与滑移隔震等。我国在隔震技术方面花费了不少精力，特别是基于滚球隔震基础上，延伸了新的隔震方法，就是钢球限位法，钢球置于底层区域，与四周进行固定，从而弱化地震影响。从这几年发展情况来看，隔震技术应用愈加成熟化，特别是在建筑结构中的应用非常频繁，隔震层的设置具有一定分化性，可以设置在建筑结构中不同区域，比如房屋的顶部或者墙体中，在具体设计过程中，除考虑应用的实际效果，更要不影响建筑结构的美观性和稳定性。有些设计师认为隔震设计的区域比较多样化，并非局限在某一板块，柱头、柱间都是不错的选择，可以通过其空间限制减少位移偏差。隔震技术主要是将结构的自振周期进行延伸，将建筑物的地震反应降到一个最低状态，对于隔震技术的应用，要考虑多方面因素影响，必须地形合适，避免因为地形偏差使得隔震效果不理想。隔震设计一般都是从基层或者顶层入手，设计者应该对此有个全面的了解，熟悉建筑内部结构，层层分化，确保隔震应用的有效性。

2.2 地基材料的选择

在建筑结构设计中，隔震设计最为重要的就是隔震地基材料的选择，因为地基是建筑与地层连接的基础，地震的作用就是通过地基延伸到建筑结构中。合理选择地基材料，可以将地震延伸影响降至最低，建筑物的地基隔震，是建筑结构隔震的基础部分，要引起足够的重视，在基层区域，铺设海绵垫层，将地震波的延伸进行弱化，使地震波不能很好的作用于建筑结构。在传统的地基隔震中，主要是在建筑地基上铺设黏土和砂子，或者在软黏土和砂土中进行间隔分化，中间间隔区域放置土工布，达到一个阻隔的作用。随着科学技术的进步，在地基隔震材料这方面，人们创新了材料性能，使用沥青阻尼隔震材料，替代了传统的黏土砂垫层，达到了一个较为理想的隔震效果，弱化了地震波的延伸影响，在建筑结构隔震设计中有着广泛的应用。

2.3 悬挂隔震

悬挂隔震具有一定的分化特点，主要针对建筑结构中的主体结构，将建筑主体结构进行悬挂处理，这样当发生地震的时候，地震的应力传播到主体结构上，主体结构会随着应力偏动，因为主体结构呈悬挂状态，就会阻断应力的传播，使得地震应力传动受阻，无法进行延伸性传动，进一步弱化地震应力影响。悬挂隔震有着一定的应用优势，主要是对建筑结构的良好调控，通过控制建筑结构弱化地震传播应力，但是悬挂隔震也存在一定限制，就是应用成本相对来说比较高，需要投入不小的成本，一般住宅建筑不会采用这种方法。

2.4 基础隔震

建筑结构设计中，隔震较为多样化，基础隔震主要是基于建筑结构基层结构和顶部结构出发，在基层结构和顶部区域安装隔震装置，隔震装置可以起到一个阻隔的作用，使地震波不会向上传递，同时使地层波在基层的时候就降低，地震波降低的话，对于建筑结构的延伸作用就会弱化。基础隔震有着一定的应用针对性，在规则型建筑结构中应用比较广泛，还有就是多层建筑中会经常使用到，因为对于地震波良好的阻隔性，使得这种基础隔震方式具有很好的应用效果，可以进一步延长建筑结构的自振周期。

2.5 层间隔震

层间隔震具有一定的连接性，主要针对建筑结构整体框架出发，以建筑结构作为连接支点，安装耗能减震装置，对各个结构的夹层和隔热层进行优化改建，层与层之间分化明确，达到一个较为理想的减震效果。通过结构的不同改造优化，出现地震后，抗震技术与隔震技术相互作用，会抵消地震产生的作用力，将应力指标降至最低，吸收和消耗地震力，使影响建筑结构的地震波降到一个最低的范围，确保建筑结构稳定性。比如在7层地层框架建筑结构中，为了提高抗震指标，采用层间隔震的方式，底层横道设置4道钢筋混凝土抗震墙，纵向设置5道钢筋混凝土抗震墙，底部的外墙设置为砖抗震墙为主，底部层间连接中，以夹层橡胶作为支撑点，起到弱化地震波的作用[2]。

3.1 无黏结钢支撑体系

在减震技术中，无黏结钢支撑体系是重要组成成分，主要是将建筑内内核钢支撑与外包钢管之间形成稳定的连接关系，以无黏结的方式进行加固。建筑体系本身具有一定的结构特点，延伸范围比较广，其中包括了钢筋混凝土、钢管混凝土等，可以通过无黏结的方式填充其中的空隙，从而使整个平面保持平滑状态。然后在支撑节段中设置外包层，支撑体系的两端预留一定空间，主要是为了支撑内核钢，使用螺栓将框架结构进行连接，螺栓的强度指标要够高，确保能够承受框架的延伸拉力。使用无黏结钢支撑体系的时候，注重细节方面的处理工作，计算好滑移界面材料的使用量，还有界面尺寸指标，内核钢与外包层之间相互连接，形成紧密的滑移层面，避免内核钢支撑形变。

3.2 消能减震构件

消能减震构件是减震技术的一种，具有一定的结构性，涉及的构件比较多，通过对各个消能减震构件的有效应用，能够将地震应力削减到一定程度，达到一个较为理想的减震效果。在抗震减震中，消能构件主要包括消能剪力墙、消能节点、消能联结、消能支撑、消能悬吊构件等，主要是通过构件达到消能减震的作用。消能剪力墙可替代一般结构的剪力墙，在抗震及抗风中发挥剪力墙的水平刚度和减震作用；
消能节点主要是在结构的梁柱节点或梁节点处装设消能装置，当结构产生侧向位移，在节点处产生角度变化、转动错动时，消能装置发挥消能减震的作用；
消能联结是在结构的缝隙处或结构构件的联结处设置消能减震装置，当结构在缝隙或联结处产生相对变形的时候，消能装置发挥消能减震的作用；
消能支撑或悬吊构件主要是对某些线结构（如消防管道、暖气管道等）设置各种支撑或悬吊消能装置。当线结构发生震动时，支撑或悬吊件即发挥消能减震作用，整个线结构呈连接状态，相互连接，将地震应力进行分摊，削减应力指标。

3.3 结构平面与竖向的合理规划

建筑结构设计中，针对减震的规划，要想达到一个理想的应用效果，要考虑多方面的影响因素，做好相关协调工作。重视建筑结构平面布局的影响，建筑体系具有一定的结构特点，平面设计规划过程中，要秉持着简单化、规则化的原则，从而建筑物按不同结构方向设计相应的抗侧力构件，两端设计的构件强度指标要保持一致，质心和刚心保持高度重合。竖向设置规划过程中，竖向构件需要与平面保持垂直，高度呈均匀变化，避免刚度过大或出现薄弱层的情况。注重细节方面的处理，在对不规则平面进行规划过程中，要从整体平面角度出发，避免出现头重脚轻的情况，使结构应力过于集中，降低建筑结构刚度。

3.4 减震设计

我国对于减震设计还存在一定限制，侧重于概念方面，对于阻尼器没有一个量化标准，一般都是采用反复估算的方式。在阻尼器调控方面，从结构方面入手，以两个主轴进行延伸，将其布置在结构层位移较大的区域，框架结构、结构底部安装阻尼器的数量保持在2～3层，剪力墙结构的层数控制在一定范围，在框支层灵活设置阻尼器。对于减震设计可以从优化结构方面入手，采用延伸性比较好的构件，应用到建筑结构中，可以提高剪应力指标，使结构运行更为稳定，弱化地震影响。还有就是提高结构本身的阻尼指标，结构阻尼指标受材料、地基影响出现不同程度的波动，在高层建筑设计过程中，尽量选择阻尼较大的材料结构，然后将阻尼器应用其中，起到一个弱化地震应力的作用[3]。

随着我国现代化进程的加快，城市规模扩大化，建筑工程数量越来越多，人们愈加重视建筑安全。在众多自然灾害中，地震是地质灾害的一种，而且地震造成的破坏性非常大，牵涉范围比较广，在地质不稳定的板块更容易出现地震的情况。一旦发生地震，对于建筑结构会造成极大的损坏，严重威胁到人们的生命安全，也正是如此，在建筑结构设计中，隔震减震成为研究重点。建筑结构具有综合性特点，包含了多个连接节点，隔震减震设计要兼顾各个方面的影响因素，要从建设结构整体角度出发，进行有序的规划和完善。隔震减震设计对于地震灾害的防治有着重要作用，可以将地震对建筑结构的破坏性降至最低，保障建筑结构稳定和人们的生命安全。我国对于建筑结构中的隔震减震有着一定的研究历史，也取得了一定的应用效果，为了我国社会稳定发展，要进一步加大对隔震减震的研究，创新相关技术体系，使人们在面对地震的时候有更多缓冲的时间，避免人员伤亡和财产损失。