浅析建筑结构设计中的隔震措施

文/郭保民、许可 河南嘉信建筑设计有限公司 河南安阳 455000

在建筑结构设计中，能否充分地考虑到抗震问题，并且使用有效的措施达到抗震的目的，对于建筑结构的安全性和稳定性有着十分重要的影响，长期以来，建筑设计人员在设计建筑的时候，都是坚持小震不塌，大震能修的原则，在设计方面使用了很多措施进行抗震工作，但是，由于各种因素的影响，这方面的工作还是存在一定的问题，本文对于建筑设计中抗震措施进行分析，希望能够起到一定的作用。

1、建筑结构的隔震、减振原理

传统建筑结构设计中，通常以“大震震不倒，设防烈度可修，小震震不坏”为建筑防震设计的标准。但一般而言，建筑结构主要依靠结构吸收变形，来消减地震造成破坏的力量。根据设防标准设计建筑结构，对于中小型地震，可通过变形设计抵消地震破坏力量，此方法具有可行性，而遇到大地震，则无法确保建筑结构的安全。这也是专家工程师研究新结构设计的根本原因所在。

1.1 隔震原理

建筑结构防震系统通常是在隔震层设计的，其将建筑结构分为下部结构、隔震层和上部结构3部分。此种结构设计可降低地震破坏力，将下部结构力量传到隔震层，并经隔震层后的抗震装备，消耗和吸收掉大部分的破坏能量，并将另外一小部分能量转移至上部结构。在设计建筑结构中隔层时，需对上部结构做出一定改变，以应对可能由地震而引起的一系列反应，确保建筑上部结构遭遇强烈地震时处于弹性状态，不至于被破坏。

1.2 减振原理

耗能减震结构是指建筑结构抗侧力装置，经过有效耗能部件设置进一步实现减振。在建筑结构遭受地震侵袭时，耗能装置与部件可产生弹塑性，通过产生变形来吸收、消耗地震所带来的巨大能量波，使其不能造成巨大的破坏，从而达到有效控震、减振的目标。减振原理与隔震原理恰好相反，也是抗震技术的重大突破之一。在建筑结构中，隔震、减振技术主要应用于被动减震，属于消能构件减震体系。这一结构体系非承重构件属于消能装置结构减震体系，一般包括摩擦耗能支撑、耗能较差支撑、消能支撑，以及耗能偏心支撑、耗能隔撑等。消能剪力墙包括竖缝消能剪力墙、周边缝消能剪力墙和横缝消能剪力墙。在遭遇较强地震时，建筑结构部位会发生较大宾星，此部位的阻尼器可发挥重要的消能作用。主动控制减震体系是指利用外部能源，兼有主动控制和被动控制两种优点。其中，主动控制效果，是通过较小的电能来调节和改变结构性能，减少地震破坏，适用于改善工程结构的抗震设防。混合控制是被动控制与主动控制相结合的一种控制形式，采用复合控制方法所以称之为复合控制，一般常用的形式是HMS。三种控制方式在使用中，均需实时观测结构反应，实时分析与反馈控制，由于系统结构负责，因此在推广应用上收到了诸多现实，而增加了结构阻尼、防止共振的被动控制技术，在工程中得到了广泛应用。

2、建筑结构隔震设计

在一般情况下，隔震技术的选择是为将结构的自振周期进行延长，以此来降低建筑物本身的地震反应。同时，在对隔震技术进行运用的时候，需要选择更合适的地形，避免因地形问题所带来的隔震成效削弱。再者，隔震设计主要被运用在了建筑物的地基与顶层设计中。在开展设计活动的时候，设计者应当对建筑物的结构深入了解，继而将隔震层科学设置，使其还能够位于建筑物的核心区域。其隔震设计的设计内容可被分为以下几种。

2.1 地基材料的选择

地基作为建筑物和地震接触的直接地带，是地震的直接作用区，因此对地基的隔震设置是减小地震影响力的有效手段。而建筑物地基隔震是指对建筑物结构的基础部分进行隔震处理，在基础敷设垫层来削弱地震发生的地震波，以减少地震对建筑物的影响。其中传统隔震的施工方式是在建筑物的地基上交叉敷设黏土与砂子，或者是在软粘土和砂土的中间放置土工布。随着建筑技术的发展，有关研究人员已经研发出一种替代粘土砂垫层的改性沥青阻尼隔震材料，因其自身具有良好的隔震减震效果，可有效减少地震对建筑物结构的损害，得到广泛应用。

2.2 隔震结构的基础设计

其指的是通过对建筑物的基础部分进行设计来使其得以最大程度地抵消地震波，以此来增强建筑物的抗震能力。但该方式不能被运用到高层建筑设计中。因高层建筑会因此而延长自振周期，导致破坏程度的加剧。但在建筑基础、上部间设置的隔震装置在底层建筑物中起到很好的效果。可见在建筑基础隔震方面，还需进行更深入的研究，进一步优化完善，使其也能在高层建筑中发挥不可替代的作用，不断扩大应用范围。

2.3 对层间隔震装置的设置

层间隔震是一种结构抗震和隔震相结合的方法，其是在原结构上安装由隔震支座与质量组成的耗能减震装置，在发生地震时，耗能减震机构可以吸收并消耗地震能量，降低结构的地震反应。上述这种方法通常应用在旧房改建，在施工方面具有易操作、简单的优势。相比于建筑物基础部分设置隔震装置的办法，层间隔震的作用不是十分显著，减震的效果能够达到1/10-3/10的范围。尽管层间隔震的效果没有基础隔震突出，然而，其能够借助原结构的隔热层以及结构的加层，进行合理的改建而达到减震的作用，且简单、易操作，隔震装置借助于橡胶支座。

2.4 通过悬挂的方式来进行隔震选择

悬挂隔震指的是把建筑的大部分结构或者整体结构进行悬挂，也就是设计为悬挂结构，通过这种方式，减轻地震的影响，当发生地震的时候，地震能量不会传递至悬挂的建筑结构，从而有效减小地震造成的损害。建筑结构悬挂隔震方式通常使用在大型的钢结构中，大型的钢结构都是使用钢结构悬挂来达到隔震的目的。大型钢结构通常可以分成主框架与子框架，在悬挂体系内，子框架通过吊杆或者索链悬挂在主框架上，当发生地震的时候，主框架会伴随地壳运动产生摇摆，但是，子框架与主框架间有着能够活动的吊杆和索链，地震的能量传到吊杆和索链的时候就会被削弱，因此能够降低地震造成的破坏。

3、建筑结构设计中常用的减震技术

上述提到的几种措施，主要是对于建筑结构的基础部分或者是关键位置做特殊设计，或者是使用特殊的材料，或者是安装减震装置来达到减少地震能量的效果。而建筑结构设计中使用到的消能减震技术，是使用建筑以外的部件，在一定程度上来加大建筑的阻尼，消耗地震产生的能量，避免建筑由于地震而遭受破坏。能够减小地震能量，起到建筑安全保护的装置与元件有很多，一般是各种不同的消能器与阻尼器，通常人们将这些装置分成滞回型与粘滞型这两类。现阶段，减震技术已经得到了广泛的应用，主要有下面这样几种情况。

3.1 新建建筑的结构设计

伴随人们防震减灾意识的不断加强，建筑结构的设计理念也随着得到更新，人们对于建筑结构设计中的减震设计、隔震设计给予了更多的重视。设计人员在进行建筑结构设计的时候，除了可以对于建筑的基础部分使用特殊方法进行处理外，还能够通过安装消能减震装置或者是使用元件减轻地震对于建筑造成的影响，保障人民的人身安全和财产安全。

3.2 对建成建筑的抗震加固

对于建筑的地基进行隔震设计的时候，施工人员需要在建筑正式开工之前就根据隔震设计的有关措施，对于相应的工作进行有效完成。最迟也需要在建筑施工的过程中，在建筑的关键位置安装有效的隔震装置。倘若在建筑建成之后，再想对建筑进行抗震加固，就需要使用增加阻尼的方式，在建筑结构上重新加强消能减震的装置。消能减震装置比较适合用在高层建筑结构、钢结构之中，在建筑中，消能减震装置业适用于建筑的各个部位，其使用较为广泛，不仅仅能够使用在建筑的上部结构中，也能够使用在建筑的隔震夹层中。

3.3 结构的平面与竖向的合理布置

在建筑结构的设计中，要想达到隔震减震的效果，还需重视建筑物结构的平面布局的影响，坚持平面简单、规则的原则来设计，顺着建筑物的两个方向对称设计抗侧力构件，并且两个方向的刚度相同，质心和刚心重合。如果选用竖向布置时，结构的竖向构件必须保持连续性，并顺着高度匀称变化，以免侧向刚度与承载力变形。但需要注意的是，在设计的过程中，禁止设计成不规则形状的平面与“头重脚轻”形状突变的立面，以免结构应力集中而发生扭转效应，降低了整体建筑的刚度。

结语：

在建筑结构设计中，能否充分地考虑到抗震问题，并且使用有效的措施达到抗震的目的，对于建筑结构的安全性和稳定性有着十分重要的影响，长期以来，建筑设计人员在设计建筑的时候，都是坚持小震不塌，大震能修的原则，在设计方面使用了很多措施进行抗震工作，但是，由于各种因素的影响，这方面的工作还是存在一定的问题，本文对于建筑设计中抗震措施进行分析，希望能够起到一定的作用。