关于公共建筑防震减灾新技术应用的研究

邢禄昌　张超　唐超　岳方方

【摘 要】在对公共建筑进行结构设计时，应注重抗震设计，运用防震减灾新技术，提高结构的抗震性能，进而减轻地震灾害影响。本文简单介绍了目前我国公共建筑中应用的主要抗震设计新方法。

【关键词】公共建筑；防震减灾新技术；隔震；耗能减震

0 引言

公共建筑要求将建筑结构设计为“延性结构体系”，其传统抗震方法是增强结构本身的抗震性能（强度、刚度、延性），利用结构自身的承载力和塑性变形能力来抵御地震作用。当地震作用超过承载力极限时，结构抗震能力的大小将主要取决于其塑性变形能力和在往复地震作用下的滞回耗能能力大小。通过发展延性来消耗输入到结构内部的能量，会使结构产生过大变形并导致结构损伤或非结构构件的损坏。对于有严格的重要公共建筑结构，往往难以满足变形条件。按传统抗震方法设计的结构不具备自我调节的能力且人们尚不能准确地估计未来地震灾害作用的强度和特性，为此，我国地震工程学者正在研究探索行的结构防震设计途径，近年来发展出一些积极的抗震设计新方法。

1 公共建筑防震减灾新技术应用

1.1 隔震技术应用

隔震技术是采用某种隔震消能装置，将地震动与结构隔开，以减弱或改变地震动对结构的动力作用，使建筑物在地震作用下只产生很小的振动，以减小地震对结构的破坏影响。

1.1.1 隔震原理

隔震层中设置隔震阻尼消能装置旨在接触结构与地面运动的耦联关系，通过增加结构的柔性与提供附加阻尼来减小输入到结构中的地震作用。由于隔震层中阻尼器的消能作用具有更高的效率。国内的大量试验和工程经验表明：隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏，提高建筑物及其内部设施和人员的地震安全性，增加震后建筑物继续使用的功能。

1.1.2 隔震技术方法

目前在基础隔震中采用的技术方法有橡胶垫隔震、摩擦滑移隔震、滚珠及滚轴隔震、组合隔震技术，其中研究最成熟且在公共建筑中应用最广泛的是橡胶垫隔震技术。

1）橡胶垫隔震。叠层橡胶垫隔震体系的隔震层由若干个隔震器组成，隔震器包括叠层橡胶垫和阻尼器，常采用普通叠层橡胶垫、铅芯橡胶垫和高阻尼橡胶垫。橡胶垫隔震支座由薄橡胶片与薄钢板分层交替叠合，经高温硫化粘结而成，通过上下连接板与结构相连，薄钢板可限制橡胶片的横向变形，但对橡胶片的剪切变形影响很小。叠层橡胶垫支座的竖向刚度很大，并具有较大的竖向承载能力，安全地支承上部结构的所有重量及使用荷载，同时具有可变的水平刚度远远小于上部结构的层间水平刚度，地震作用下结构的水平变形集中于隔震层，上部结构在地震中变为“整体平动型”，结构的层间变形很小，即便在罕遇地震作用下也基本处于弹性状态。

2）摩擦滑移隔震。摩擦滑移隔震技术把建筑物上部结构做成一个整体，在上部结构和建筑物基础之间设置一个隔离滑移构造层，滑移构造层可用精选的圆形粉粒（如铅粒、砂粒、滑石、石墨）以及不锈钢板和聚四氟乙烯等材料，在小震或风载作用时，静摩擦力使结构固接于基础上；大震时剪力超过静摩擦力使建筑物相对与基础（地面）整体水平滑动，由于其摩擦阻尼耗散地震能量，削弱了地震作用向上部位结构的传递，达到隔震的效果，该技术还具有简单易行、造价低廉等优点，但缺点是不能自动复位，可以装设辅助装置协助限位。为了使建筑物滑移后自动复位，目前出现了一种摩擦摆支座。摩擦摆支座类似于一个铰装置，上部为活动摆头，下部为与摆头相吻合的曲面承台，摆头与曲面之间衬有网状增强纤维（聚四氯乙烯），以利用摩擦阻尼耗散能量，该装置可利用结构本身重力复位。目前具有风稳定及复位功能的支座还有回弹滑动支座及螺旋弹簧支座。

3）滚珠及滚轴隔震。在上部结构与平板状基础之间设置滚珠。滚珠可做成圆形或利用直动轴承，设置于平板或凹版上；也可做成椭圆形，以形成复位力。滚动支座通过滚珠或滚轴的滚动达到隔震效果。设计合理的滚动支座具有良好的稳定性、限位复位功能和显著的隔震效果，但滚珠隔震需要有辅助装置协助复位，保证风载下不产生过大水平位移，如：滚球加弹簧复位隔震装置或滚球带凹槽板复位隔震装置。

1.2 消能减震和阻尼减震技术应用

消震和阻尼减震技术是在结构的某些非承重构件装设消能构件或阻尼器，当轻微地震或阵风脉动时，消能杆件或阻尼器处于弹性状态，结构物具有一定的侧向刚度，以满足正常使用要求，在强烈地震作用下，随结构受力和变形增大，消能构件或阻尼器进入非弹性变形状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，避免主体结构进入明显塑性状态，从而保护主体结构在强震中不发生破坏，不产生过大变形。

1.2.1 耗能减震原理

在公共建筑结构的某些部位（如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等）设置耗能（阻尼）装置（或元件），通过耗能（阻尼）装置产生摩擦，以及弯曲（或剪切、扭转）弹塑（或黏弹）性滞回变形耗能来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减小主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控震的目的。

1.2.2 消能器与消能部件的应用

1）消能器。消能器根据耗能机制的不同可分为摩擦消能器、金属屈服消能器、铅阻尼器、黏弹性阻尼器和黏滞阻尼器等。①摩擦消能器是根据摩擦做功而耗散能量的原理设计的。目前已有多种不同构造的摩擦耗能器，如Pall型摩擦消能器、摩擦筒制震器、限位摩擦消能器、摩擦滑动螺栓节点及摩擦剪切铰消能器等，它们都具有很好的滞回特性，滞回环呈矩形，耗能能力强，工作性能稳定等。摩擦消能器一般安装在支撑上形成摩擦耗能支撑。②金属屈服消能器利用软钢类钢材具有弹塑性滞回性能稳定、耗能能力大、长期可靠并不受环境与温度影响的特点，人们研究开发了多种耗能装置，如加劲阻尼（ADAS）装置、锥形钢耗能器、圆环（或方框）钢耗能器、双环钢环耗能器、加劲圆环耗能器、低屈服点钢耗能器、无粘结支撑等。③铅阻尼器利用铅挤压产生塑性变形耗散能量的原理制成的铅挤压耗能器具有“库伦摩擦”的特点，其滞回曲线基本呈矩形。④黏弹性阻尼器由约束钢板与中间钢板之间夹有的一层黏弹性材料产生往复剪切滞回变形，以吸收和耗能能量。其材料的性能稳定，可经多次反复加载和卸载，但对于大应变下的重复循环，刚度会产生一定程度的退化。⑤黏滞阻尼器一般由缸体、活塞和黏滞流体组成，活塞上开有小孔，并可以在充有硅油或其他黏性流体的缸内往复运动。当活塞与筒体间产生相对运动时，流体从活塞的小孔内通过，对两者的相对运动产生阻尼，从而耗散能量。

2）消能部件。消能部件由结构中的支撑、墙体、梁或节点等构件组成。①消能支撑有几种形式：一种是在支撑杆或节点板上利用摩擦阻尼器或其他弹塑性阻尼器消耗地震能量；另一种是利用偏心支撑结构与梁段的塑性变形来消耗地震能量；还有一种是利用刚接在梁、柱或基础上的消能隅撑的塑性变形来消耗地震能量。②消能墙即将阻尼器或消能材料用于墙体。填黏性材料消能墙是在墙与框架连接的周边，填充黏性材料，强烈地震时，强周边出现非弹性缝并错动，消耗地震能量。

1.3 被动控制调谐减震技术应用

被动控制调谐减震技术一般由主结构和附加在主结构上的子结构组成，附加的子结构具有质量、刚度和阻尼，可以调整子结构的自振频率，使其尽量接近主结构的基本频率或激振频率，子结构就会产生一个与主结构震动方向相反的惯性力作用在主结构上，使主结构的振动反应衰减并受到控制。这种减震控制不需通过外部能量，只是通过调整结构的频率特性来实现。子结构可以是固体质量，它在调谐减震过程中，发挥类似阻尼器的作用；也可以是储存在某种容器中的液体质量，它的调谐减震作用是通过容器中的液体振荡产生的动压力和黏性阻尼能来实现。

1.4 主动控制技术

主动控制技术需要利用外部资源，在结构振动控制部位安装传感器对输入地震动和结构反应实现连机实时跟踪，并根据控制器（计算机系统）分析计算结果并发出信息指令，通过伺服加载装置（作动器或执行器）对结构施加控制力，实现自动调节，在结构振动过程中瞬时改变结构的动力特征并施加控制力以衰减结构反应，达到保护结构免遭损伤的目的。

2 结语

公共建筑中应用的以隔震、减震、制震技术为特点的结构抗震设计新方法，通过对结构施加控制装置（系统），由控制装置与结构共同承受地震作用，即共同储存和耗散地震能量，以减轻结构的地震反应。应用这些积极应对地震的抗震技术，改变了传统抗震设计的消极应对性，大幅提高了公共建筑抵抗地震的能力。

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[责任编辑：杨玉洁]