探究结构设计中抗震设计

王乐普 韩高峰

摘要：建筑结构的抗震设计能够有效保证建筑物的安全可靠性。当地震来袭时能尽可能保护人类的生命安全，避免过大的人员伤亡和经济损失。正确处理建筑结构自身的刚度和韧性之间的关系，合理选取建筑结构形式，是在精确计算模型之前，设计师需要认真思考的问题。随着新型材料的出现，各种新型的隔震及制震技术也随之发展。合理有效地应用这些新技术，结合抗震技术一起应用，能够更好地提高结构设计水平。

关键词：建筑结构；抗震设计；隔震

一、震灾历史回顾

1.日本阪神大地震

1995年1月17日5时，在日本关西兵库县南部的淡路岛发生了里氏7.3级地震。震源深度约16公里。此次地震在多处引发火灾，火势严重，烧毁很多房屋。

2.中国汶川地震

2008年5月12日14时，在中国四川省汶川县发生里氏8.0级地震。震中烈度最大11度。震中位于四川省汶川县映秀镇与漩口镇交界处。震源深度为10～20千米，震源较浅，因此破坏性巨大。地震后山体滑坡，阻塞河道形成许多堰塞湖。

汶川地震暴露了我国建筑结构抗震方面存在很多问题。首先是设计地震力的大小是否合理。同样规模的结构，我国的设计地震力只有日本的一半，甚至更小，而汶川地震的能量却远远超过了日本阪神大地震。

3.日本东日本大地震

2011年3月11日，日本当地时间14时，日本东北部海域发生里氏9.0级地震。震中位于宫城县以东太平洋海域，震源深度海下10千米。地震引发的海啸影响到太平洋沿岸的大部分地区，造成重大人员伤亡和财产损失。地震造成日本福岛第一核电站1～4号机组发生核泄漏事故。

二、抗震结构设计的刚柔之争

抗震设计的概念自古以来就是将刚性和柔性（即韧性）赋予建筑物。只靠刚性抵御地震的建筑物是极少的，大多数结构是刚柔兼济以对抗地震。因此抗震设计的实质就是定量地处理建筑物的刚性和柔性之间的关系。

所谓“刚”，就是指结构自身应具有较大的刚度和强度，其自振周期较短。与之相反，所谓“柔”就是指结构的刚度较小，其自振周期较长。判断一个建筑物抗震性能好与坏的标准，到底选用刚性结构还是柔性结构，在学术界一度成为很有争议的课题。这个课题在20世纪30年代日本建筑界展开过激烈的论争，这就是当时日本建筑界有名的“刚柔论争”。刚派认为不管怎样延长结构的自振周期，与地震发生共振是无法避免的。而柔派认为结构的刚度应该减小，避免和地震发生共振现象，由此来减小结构的震动。

三、结构设计方法

1.结构类型的选择

进行结构计算之前，应首先对结构的形式进行选择。根据建筑物使用功能，建筑物所在场地条件，选取经济合理的结构形式。

2.结构的平面布置及竖向布置

结构的平面布置应尽量均匀对称，以使结构质心与结构刚心重合，以避免地震时结构发生扭转破坏。竖向构件尽量连续贯通，保证结构内力传递明确。

3.结构计算目标及原则

近年来，国内外抗震设防目标的发展总趋势是建筑物在使用期间，对不同频率和强度的地震，应具有不同的抵抗能力，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。根据上述三水准抗震设防目标的要求，在第一水准（小震）时，结构应处于弹性工作阶段，因此，可以采用线弹性动力理论进行建筑结构地震反应分析，以满足强度要求。在第二和第三水准（中震、大震）时，结构已进入弹塑性工作阶段，主要依靠其变形和吸能能力来抵御地震。在此阶段，应控制建筑结构的层间弹塑性变形，以避免产生不易修复的变形（第二水准要求）或避免倒塌和危及生命的严重破坏（第三水准要求）。因此，应对建筑结构进行变形验算。

四、隔震和减震技术在抗震设计中的应用

1.隔震结构

日本学者河合浩藏在1881年提出最初的隔震构想。他认为先在地基上纵横交错放置几层圆木，圆木上浇筑混凝土层，再在混凝土层上盖房。由于设置了可滚动的圆木，削弱了地震传递给建筑物的能量。1909年，J.A.卡兰特伦茨在美国提出了另外一种隔震方案，即在基础与上部建筑物之间铺一层滑石或云母，地震时隔震层的滑石相互错动，从而减小地震传递给上部建筑物的能量，以达到隔离地震的目的。

目前我们采用的隔震技术主要有两种形式，一种是基础隔震，另一种是中间层隔震。使用最广泛的是基础隔震。基础隔震就是在基础和结构之间另设一层，这一层作为隔震层，在隔震层设置一些特殊的隔震器材。隔震器材主要分为隔震支座、减震器、隔震支座和减震器的复合装置。

（1）隔震支座

隔震支座主要有两种，一种是叠层橡胶支座，也称为无铅芯叠层橡胶支座；另外一种是滚动活滑动支撑。应该注意的是，这种装置应该设置在轴力变化不大的柱下。

（2）减震器

减震器分为弹塑性减震器、油压减震器、黏性减震器、摩擦型减震器等。减震器具有吸收地震能量、减小结构反应的作用。但是减震器不具有竖向支撑的能力，变形恢复能力也不强。所以，在隔震结构中不能单独使用，必须与隔震支座一起使用。一般来说，减震器不直接设置与柱下，而是设置在上部结构的基础梁之下。

（3）隔震支座与减震器的复合装置

为了吸收地震能量，使之不传递给上部结构，除了隔震支座外，还必须在隔震层设置减震器。设置减震器需要在隔震层有一定的空间，还需要精密的安装施工。为了解决这一问题，可以在隔震层设置隔震支座与减震器的复合装置。复合装置不但可以起到支撑结构竖直方向荷载的作用，还具有吸收地震能量、减小结构反应的作用。

2.制震结构

在地震作用下为了减少对主体结构的破坏，控制结构水平位移，在结构内部设置一些能吸收和消耗地震能量的装置，这些装置就叫“制震装置”。制震结构是在建筑物的内部设置阻尼器，这些阻尼器随着建筑物的变形和运动速度而发挥其衰减作用。

（1）质量协调阻尼器

主体结构在地震作用下产生震动时，通过设置于高层建筑物顶部的“质量阻尼”系统，与主体结构产生共振来减小结构震动反应。该系统与结构的固有震动周期完全相同。

（2）液体阻尼器

液体阻尼器是一种被动耗能减震装置。利用容器中液体振动的方法提供减震作用。此种减震方式目前只对中小地震有效，对强震来说其震动超过装置本身的容量极限，强震时现在多采用将装置固定的方法。然而，该减震方式用于减控由风荷载引起的长时间、中振幅的振动的话非常有效，因此被设置在许多超高层建筑上。

五、总结

地震引发的灾害，从地球诞生地震就一直频频发生。实际上，至今为止地震没有一刻平息过，每年大约有五百万次发生。但因为有的震级比较小，有的震源远离人类居住地，所以大约有99%的地震并不能被我们所感知。而剩余的1%大约5万次地震是可被我们感知的，而这5万次地震里有一百次左右是可以造成灾害的。这些因地震引发的灾害给人类生活带来了巨大的影响和破坏。

参考文献

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