建筑隔震和消能减震设计及应用

刘 瑞 强

(兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050)



建筑隔震和消能减震设计及应用

刘 瑞 强

(兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050)

介绍了建筑隔震与消能减震技术的特点及设计方法，论述了建筑隔震与消能减震技术的原理和使用范围，提出了建筑结构常用的减震措施，并针对建筑减震技术中存在的问题，提出了建筑减震技术的发展方向。

建筑结构，隔震技术，消能减震，概念设计

我国是一个多地震国家，地震的随机性和突发性对人们生命财产造成了巨大的损失，面对传统抗震结构的缺陷，人们不断寻求新的结构和技术来达到抗震或减震的目的。目前，隔震与消能减震技术在建筑结构中的应用已经得到了世界的广泛认可，同时已经开始应用在部分建筑结构中，“隔震”与“消能减震”技术不同于传统建筑结构设计中的“抗震”，“抗震”结构的特点为“以刚克刚”，即利用结构中各构件的变形力和承载力来抵抗地震作用，抗震结构设计虽具有非常重要的意义，但是它最大的缺陷是当结构遭遇较大地震时结构内部的构件甚至承重结构都会产生较大的破坏，地震过后的维修和加固需要花费许多人力、物力和财力，而“隔震”与“消能减震”结构则采用的是“以柔克刚”，隔震结构的建筑物在上部结构与基础之间设置有滑移层，阻止了地震输入的能量向上部结构的传输。消能减震结构的建筑物是通过设计的消能部件和阻尼器先于结构构件产生塑性变形，吸收地震输入能量，以减少结构本身能量的输入来达到减震的目的。

1 建筑隔震与消能减震技术

目前，随着国内外对建筑隔震与消能减震技术研究的不断深入，隔震与消能减震技术得到了很大的发展，隔震技术的种类较多，大致可分为：基础滚球隔震、基础弹簧隔震、橡胶垫隔震、悬吊结构隔震、基础砂石垫层隔震以及结构底层柔性柱隔震等，其原理基本都是利用这些隔震系统来减少地震能量向上部的输入，隔震系统的存在能够延长结构自身的基本自振周期，通过适当的阻尼使结构的加速度反应大大减少，地震传来的能量将由隔震装置转化和吸收，阻止了能量向上部结构的传输，从而减少了上部结构的相对变形。

消能减震技术是把建筑结构中的某些构件(如支撑、剪力墙等)设计成消能部件或者在结构物中的某些部位(连接或节点处)设计安装阻尼器，消能部件和阻尼器的作用在于当结构遭遇风或地震作用时，其会先于建筑结构由弹性工作状态进而转为塑性工作状态，通过消能部件的塑性变形和阻尼吸收输入的能量，以减少主体结构的塑性变形，保证结构的安全性，其中消能部件可由斜撑、剪力墙、梁或节点等构成，此外，在结构的缝隙或构件的连接处设置消能装置，也能够发挥很好的消能减震作用。采用消能减震设计，对建筑物的使用功能影响较小，减震较明显，且布置相对灵活，同时地震力下布置的消能元件传给与之相连构件的附加力较少，对结构不会造成不必要的破坏。

2 建筑隔震与消能减震概念设计和原理

2.1 建筑隔震的概念设计

厕所革命主要是对旅游厕所的革命。本研究从游客感知的角度出发，采用IPA分析法对青秀山景区旅游厕所的重要性和满意度进行评价，取得了如下认识和成果：

概念设计在建筑抗震和隔震中占有非常重要的地位，在进行工程抗震设计时，首先应该做好概念设计阶段，然后才是严谨、合理的抗震或隔震计算，最后则为抗震措施的选用。

建筑物隔震通常需要在建筑物与基础之间设置隔震装置，在地震作用下建筑结构的水平变形大多集中在隔震装置中，通过隔震装置的变形吸收了地震传给上部结构的能量，以达到将地震作用隔离的目的，提高了建筑物的地震安全性。建筑物隔震的概念设计首要任务是确定隔震系统能够允许的最大地震反应、建筑物的结构参数、地震反应频谱特性等，通过这些参数的确定可大致得到隔震层的总体参数。

2.2 隔震结构的运动方程

其中，Dh为近场系数；Fek为隔震层以上总的水平地震作用力；uh为隔震层允许水平位移；α为作用于隔震层以上设计的设计水平地震加速度；M为隔震层以上总的质量。

消能减震结构在地震作用下起反应的关键是确定结构的总刚度和总阻尼比，即：

(1)

将地面运动表达为傅里叶级数的形式：

即:

(2)

在概念设计阶段可以主要考虑主频的影响，则输入地震的加速度可简化为：

布尔用疑惑的神情望着伏尼契，伏尼契从口袋里拿出了两张纸币，说：“布尔叔叔，我想买一本书，一本被我损坏的书。”伏尼契把损坏书的经过说出后，布尔惊奇地问：“你竟然用了两周时间卖报来准备赔偿，我可不能接受，其实你不告诉我这件事，也就没有人知道。”

(3)

其中，ω为输入加速度的主频率，一般取隔震结构所在处的特征频率；Ag为输入加速度等效位移峰值。

由式(1)，式(3)可得建筑物位移是式(1)中系数的函数幅值函数为：

(4)

在一维模型下，隔震结构加速度反应衰减比η(隔震衰减比)可表达为：

我们列举出其中较少争议的部分(见表1.2)。词作者无疑用这些典故给予了歌曲更古老缱绻却又鲜活动人的强烈感染力。

(5)

实行固定资产信息化管理，除初建系统时需要进行大清查后将原始数据导入系统、对系统进行相关设置、梳理和准备好所需要的如人员库、地点库、单位库等基础数据外，日常管理中，只需要输入相关的固定资产增加、变动、处置数据。资产清查时，通过手持连接信息系统的扫描仪，对固定资产上的条码标签进行扫描，通过系统分析，可以得出账实不符资产数据，及时发现资产变动和流失现象。相对以往的手工管理方法，信息化管理大大提高了工作效率。

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此外，在隔震设计过程中还需要估算出隔震层的总体刚度K的上限值：

值得注意的是，虽然不同消落地区由于淹水强度带来的环境梯度效应基本一致，但原生植被的种类组成、地形、人为干扰强度及土地利用方式并不完全相同，土壤基质和消落程度的差异，适合消落带生态恢复的植被结构并没有统一的模式，必须因地适宜，根据不同消落区域的特殊情况选择适合生态修复的植被结构。

由于建筑物在地震中的运动相对较小，且处于整体平动状态，因此在概念设计阶段，通常可只需确定结构在不同方向的一维平动运动模型(见图1)。

在隔震层的总体刚度确定后，可根据建筑隔震设计将总体刚度分配到每个隔震支座上去，进行隔震设计。

2.3 隔震技术应用范围

长期掌管国民党党务的陈果夫曾提到，“党的宣传为民主自由，党的训练为军事化，党的组织为学苏联，内部是中国的。如此东拼西凑，不成一套，如何是好?”㉛国民党体制所存在的上述矛盾实际上都导源于孙中山的建国程序设计。

国内外研究表明，硬土场地较适宜采用隔震结构的建筑，我国隔震结构可适用于Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ类场地，以剪切变形为主的体型结构，建筑结构布置多为规则结构，一般不采用隔震措施时基本周期不宜大于1.0s的建筑，此外，由于隔震层的存在，还应考虑软弱隔震层的抗倾覆能力，因此，在隔震设计中还应对风荷载以地震之外的其他水平荷载进行相应的限制。

2.4 建筑结构消能减震设计

消能减震建筑设计时，应根据罕遇地震或设防烈度下预期的结构位移控制要求进行设计，其原理从能量的角度可描述为：

传统的抗震结构：Ein=Ev+Ec+Ek+Eh。

从上式可以看出传统的抗震结构体系中，地震传来的能量主要通过Eh耗散，这就意味着地震输入的能量大部分由结构自身的塑性变形吸收，若地震输入结构的能量过大，则很可能会造成结构体系的严重破坏，失去承载能力，但在设计有消能部件的结构，则由于消能部件会先于结构构件而产生塑性变形，吸收地震能量，而后才是结构体系，有效地保护了主体结构。

我在清代笔记中发现一个有趣的故事，说乾隆年间江苏宜兴有人研究老虎后，熬制了黏胶撒在老虎常常打滚的草丛里，而老虎爱干净（这一点很像猫咪），不能忍受毛皮沾草，就舔啊舔，最终舔得烦躁，暴躁死掉。然后这个人就能比武松更轻松地获得一只老虎。

一维模型的运动方程：

K=Ks+Ka。

其中，Ks为原结构的刚度；Ka为消能部件附加给结构的有效刚度。

ξ=ξs+ξa。

The authors need to be cautious in the performance of CSP for small (6-9 mm) polyps due to concerns about immediate bleeding and histopathological assessment.

其中，η2为阻尼调整系数，当小于0.55时，应取0.55；ξ为阻尼比。

入党积极分子是党员发展工作的重点对象，为新党员发展质量奠定基础。入党积极分子是入党的必要条件，不是充分条件，确定优秀的入党积极分子，对党综合素质的提升以及践行社会主义核心价值观有着积极促进作用。在入党积极分子的确定过程中，首先由班级同学的推选，同学们对递交了入党申请书的团员进行投票。每位同学只能投小于等于规定的票数，否则所投票无效，受推选名额的限制，班级同学会对推选人员进行全方位思考，是否适合成为入党积极分子。票数高低可以反映出推选人员的群众基础，同时也反映出民主集中制原则，最终由学院党总支确定入党积极分子。

消能减震结构的计算方法，与消能部件的类型、布置位置、数量及所提供的阻尼大小有关。一般情况下，大阻尼的阻尼矩阵不满足振型分解的正交性条件，需直接采用恢复力模型进行非线性静力分析或非线性时程分析，但若主体结构基本控制在弹性范围内时，可采用较为简单的线性计算方法估计，对于振型分解反应谱法，应采用振型阻尼比计算。

手工书籍的创作特色就是其形态在很大程度上体现了设计者的个性，它无需考虑工艺上的制约，只需要构思并将其创作出来。例如，以“轮回”为主题，要求学生在书籍制作中表现出生命的循环新生。个性化手工书籍的制作者首先会在材质上力求环保，在内容上体现“轮回”的概念，同时引导学生在制作创意上避免与传统书籍发生雷同，更追求书籍意境化和艺术性的表现方式。其中，书籍制作的纸张新旧、糙滑以及薄厚等都需要提前考虑，并通过最原始的手工方式制作，怀着崇敬的心情完成整本书籍的制作仪式。

2.5 消能减震结构的使用范围

（3）为了保障高速公路沥青路面的最终施工质量，最终的碾压施工必须要在路面温度为90～110℃之间匀速进行，并且要换用重为12t的压路机反复碾压2～4遍。两相互重叠的道路区域在碾压的过程中要保障有1/3～1/2的压路机轮宽重叠，并且压路机要保证匀速向前行驶，进而避免道路沥青混合料发生推移现象。为了避免沥青混合料粘连到压路机的钢轮上，可以在压路机碾压之前在钢轮上喷洒一定量的水。在碾压施工结束后，一般情况下道路的温度还是比较高的，此时要确保道路路面的整洁，严禁在道路路面上放置相关施工设备，从而确保道路路面不被破坏，进一步保障道路施工的最终质量。

采用消能减震技术需要对建筑进行抗震设防分类，要弄清楚场地条件、抗震设防烈度、建筑的使用功能、结构选型及方案等情况，并结合安全和经济方面综合考虑。一般情况下，消能减震技术可用于钢结构、钢筋混凝土结构以及钢—混凝土组合结构等建筑，由于其可以减少结构的水平和竖向的地震作用，故使用范围较广，结构高度和类型均不受限制。

3 建筑减震措施

减震技术虽有许多种，但有些仍处于初步研究和设计阶段，不能直接用于实际建筑结构中，除过上面论述的在建筑结构中采用隔震和消能减震措施外，还有两种较为常用的减震措施，这两种减震措施分别为：1)采用高延性构件：结构的延性大就意味着结构具有良好的变形和耗能能力，但设计的同时也应该注意满足承载能力的要求，一般在设计中常采用强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件以及强梁柱塑性铰的方法以提高结构的延性和安全性。2)提高结构本身阻尼：理论研究表明，结构对地震的反应随着阻尼比的增大和自振周期的加长而减少，结构的阻尼随着结构类型、材料、地基情况等的不同而不同，尤其对于高层建筑设计时应尽量选用阻尼较大的材料和结构，同时也可以设置一定的阻尼器。

4 建筑减震技术当前存在的问题

隔震与消能减震技术虽然在建筑结构中得到了广泛的应用，但也存在一些不足之处，比如：

1)目前，大多数隔震装置在水平地震力作用下减震效果较好，但竖向地震荷载作用下的减震效果不明显，由于竖向地震作用对大跨度、高耸和悬臂结构的建筑影响较大，故对于这一方面的减震性能还需要进一步的深入研究。2)研制和开发新型的隔震装置、阻尼器和消能减震元件，设计出高性能的减震装置。3)研制出一种既减震又便宜的减震装置，由于当结构采用隔震装置时会加大结构的造价，这是业主不想看到的，所以这对隔震结构在建筑中的大量应用带来了困扰。4)扩展隔震结构的使用范围，加强研究对于软弱地基、高层以及超高层结构如何使用隔震装置，以更好地实现安全、适用、耐久和经济的要求。

5 结语

在结构中采用隔震和消能减震技术，对地震作用的降低具有非常明显的效果，隔震与减震体系相比传统的抗震体系更为安全、适用、可靠，在使用了隔震和消能减震的体系中，可以使结构保持在弹性工作状态，因此结构的受力更加明确、合理，可利用线弹性理论对结构进行分析，消能减震技术与传统的抗震技术相比，地震反应可以减少40%～60%左右，可以明显节约工程造价和结构加固造价，一般情况下，结构越高、越柔、跨度越大，则消能减震效果越是明显，所以消能减震装置在超高层结构、高耸结构、大跨度结构以及桥梁等结构中研究应用必将成为新的趋势。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[2] 徐至钧.建筑隔震技术与工程应用[M].北京：中国标准出版社，2013.

[3] 唐家祥.建筑隔震与消能减震设计[J].建筑科学，2002(1)：62-63.

[4] 高小旺，龚思礼，苏经宇，等.建筑抗震设计规范理解与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[5] 姚谦峰，常 鹏.工程结构抗震分析[M].北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2012.

Design and application of building seismic isolation and energy dissipation

Liu Ruiqiang

(CollegeofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

The characteristics and design methods of building isolation and energy dissipation technology are discussed in this paper, the principle and application scope of building isolation and energy dissipation technology are analyzed, and also put forward the commonly used shock absorption measures in the building structure, and aiming at the existing problems in building vibration reduction technology, put forward the development direction of build vibration reduction technology.

building structure, seismic isolation technology, energy dissipation, conceptual design

1009-6825(2016)22-0055-03

2016-06-01

刘瑞强(1994- )，男，在读本科生

TU352.1

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