探讨建筑结构设计中的隔震减震措施

2023-12-19陈莉萍

建材发展导向 2023年21期

陈莉萍

(合肥工业大学设计院(集团)有限公司，安徽合肥 230001)

随着现代建筑技术的发展，建筑物在面临地震等自然灾害时面临着严重的安全问题。地震是人类社会面临的最大自然灾害之一，它不仅给人们的生命和财产带来了巨大的威胁，而且也限制了城市和经济的发展。抗震设计是通过“三水准”设计要求和“两阶段”设计方法对结构进行设计的，通过增加结构的刚度，让结构本身抵抗地震能量，通过结构构件自身破坏来消耗地震能量，即“以刚克刚”。而隔震减震则是通过在建筑附加其他子结构或采用一定的耗能装置，让附加子结构破坏或者施加的阻尼来吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的振动，保护原有结构的安全，即“以柔克刚”。因此建筑隔震减震技术是一种有效的防震措施，能够降低建筑物受震害的程度，保障建筑物和人民生命、财产的安全，研究建筑结构设计中的隔震减震措施是非常必要的[1]。

1 隔震减震技术的发展历程和现状

隔震减震技术的发展历程可以追溯到20世纪50年代。当时，日本发生了一系列的大地震，导致了大量建筑物的损毁和倒塌，给人们的生命财产带来了极大的危害。这促使科学家们开始探索一种能够降低地震破坏的方法，即隔震减震技术。最早的隔震减震方法是将传统的建筑结构与橡胶支座相结合，起到了一定的防震效果。此后，随着科技的发展，隔震减震技术不断向前发展。目前，隔震减震技术已经成为建筑抗震工程中的一项重要措施。国内外研究者进行了大量的研究工作，提出了多种隔震减震技术，包括橡胶隔震、摆式隔震、液体隔震、弹性隔震、耗能支撑、屈服约束支撑、耗能墙、阻尼器剪力墙、阻尼器等。各种隔震减震技术各有特点，可以在不同场合下灵活应用。目前，隔震减震技术已广泛应用于高层建筑、大型桥梁、核电站等重要工程中，取得了良好的防震效果。同时，随着科技的不断进步和应用领域的不断拓宽，隔震减震技术也在不断发展和完善[2]。

2 隔震减震技术在建筑结构设计中的应用

隔震减震技术在建筑结构设计中的应用主要是通过控制地震产生的惯性力和峰值加速度，使建筑物在地震时产生较小的变形和破坏，从而保障人民生命财产安全。目前，隔震减震技术主要有以下几种应用方式：1)橡胶隔震：橡胶隔震是最早被广泛应用的隔震减震技术之一。利用弹性橡胶支座将建筑物与地基分离，降低了地震惯性力的传递，从而减小了建筑物的震动响应；2)摆式隔震：摆式隔震利用重力摆的动力学特性来消耗地震能量，减小地震造成的冲击力。该技术适用于高层建筑、大型桥梁等工程；3)弹性隔震：弹性隔震是利用金属弹簧等材料的弹性变形来减小地震惯性力的传递，从而降低建筑物的震动响应；4)液体隔震：液体隔震是利用流体的粘性和压缩性来吸收地震能量，将建筑物与地基分离，实现隔震减震效果。隔震减震技术的应用需要根据具体工程情况进行选型和设计。在建筑结构设计中，应充分考虑结构的稳定性、可靠性以及经济性等因素，选择最适合的隔震减震技术，并进行科学合理的设计和施工[3]。

3 现阶段在建筑结构设计中的隔震减震措施方面取得的成果

在建筑结构设计中的隔震减震措施方面，近年来取得了不少成果。以下是一些主要进展：成熟的设计理论和方法：针对不同类型建筑物和不同地质条件，开展了大量的试验和模拟分析工作，积累了丰富的实验数据和工程经验。在此基础上，建立了适用于各种隔震减震技术的设计理论和方法。安全性能得到充分验证：国内外应用隔震减震技术的工程已达到数百个，其中不乏高层建筑、大型桥梁、核电站等重要工程。这些工程经过多次地震的验证，安全性能得到了充分验证。技术不断创新和提高：现代隔震减震技术不断发展和创新，例如新型隔震减震材料的研发、新型隔震减震装置的设计和制造等。随着科技的进步，隔震减震技术将更加完善和成熟。应用范围不断扩大：隔震减震技术的应用范围不断扩大，除了传统的高层建筑和桥梁等工程外，还包括机场、地铁、水库、博物馆、医院、体育馆等重要工程。目前，也有用于既有建筑的加固改造工程。未来，随着科技和应用领域的不断拓宽，隔震减震技术在更多领域中有望得到应用。总的来说，在建筑结构设计中的隔震减震措施方面，取得了很多成果。但是，随着人们对安全性能需求的不断提高，隔震减震技术仍需要不断创新和完善，以满足新的挑战和需求。

4 目前在建筑结构设计中的隔震减震措施方面的问题和不足

4.1 技术成本较高

目前，大部分隔震减震技术的制造、安装和维护成本较高，这增加了建筑项目的投资成本，限制了该技术的应用范围。主要原因如下：材料成本高：隔震减震技术中所使用的材料一般都是高性能材料，如特种橡胶、高强度钢等，而这些材料的价格相对较高，这导致隔震减震技术的成本较高。设计和制造难度大：隔震减震技术中的隔震器、减震器等需要进行精密的设计和制造，工艺复杂，难度较大。因此，其制造成本往往较高。安装和调试复杂：隔震减震技术的安装和调试需要专业的技术人员进行，并需要借助专业设备和测量工具。这增加了操作的人工和时间成本。维护成本高：隔震减震技术需要专业人员定期进行检查和维护，以确保其正常运行，因此维护成本较高[4]。

4.2 既有建筑改造困难

由于老建筑的原有结构和设计不够完善，受当时材料、施工技术和经济性影响，抗震性能不好。因此对这些建筑物特别是重要性建筑进行加固改造时，如果想要提高其抗震性能，可采用隔震减震技术，但会遇到很多困难和限制。主要原因如下：建筑设计和结构问题：老建筑的建造时间较早，所使用的建筑设计标准和结构规范也与现在有所不同。一些老建筑的结构形式以及梁柱等承重部件的尺寸和材料可能无法满足隔震减震技术的要求。空间和布局问题：老建筑的空间和布局可能无法适应隔震减震技术的要求。例如，老建筑的层高比较低或者房间尺寸开间小，难以安置大型的减隔震设备。维护问题：老建筑物已经使用了较长时间，对于建筑本身的维护可能存在问题，这将增加隔震减震设备的维护难度和成本。改造的经济性问题：老建筑受其原有设计和施工限制，且已使用多年，因此若采用减震隔震技术进行改造，改造成本较高。

4.3 效果难以预测

由于地震的不可预料性，以及隔震减震技术的特殊性质和复杂性，其效果往往难以准确预测，需要通过实验数据和工程经验来验证。这增加了工程试验和评估的难度，主要原因如下：隔震减震设备设计：不同的隔震减震设备具有不同的结构形式和性能参数，例如隔震器、减震器等。为了实现最佳的隔震效果，需要根据建筑物的结构特点和设计需求进行精确的选择和设计，这需要充分考虑到多种因素的影响，如地形、气候和土地条件等因素。地震波的复杂性：地震波的强度、频率和持续时间等都是不确定的，这增加了隔震减震效果的难以预测。此外，由于建筑物的结构条件和地基条件都不同，地震波产生的振动也会发生变化，从而难以准确预测隔震减震的效果。实验和评估的困难：由于隔震减震效果难以准确预测，需要对其进行实验和评估。然而，这需要专业人员进行，并需要借助于大量的数据和工程经验。这增加了试验和评估的难度。

4.4 液体隔震的环境污染问题

液体隔震技术在建筑结构设计中也是一种常用的隔震方法，其主要是通过将建筑物与地面之间加装液体隔震器，来消除地震波的冲击。然而，液体隔震技术也存在着一些环境问题，其中最重要的就是环境污染问题。具体表现在以下几个方面：液体泄漏污染：液体隔震采用的是橡胶、钢板或橡胶和钢板组合的容器中充满了流体材料，如果这些液体泄漏，在地震时或因其他外力造成容器损坏时(如火灾、交通事故)，将会对周边环境造成严重的污染。特别是对于一些敏感生态环境，例如湿地、自然保护区等，这类事故将会导致不可估量的损失。液体处理困难：由于液体隔震技术使用的流体材料往往比较复杂，且含有大量化学成分，所以一旦泄漏会给液体的处置带来困难[5]。

5 解决问题的办法和优化措施

5.1 技术成本较高的解决措施

为了解决液体隔震技术所面临的成本过高的问题，需要采取一系列相应的措施来降低成本，从而使其更适用于各种建筑物的隔震减震中。这些措施可以包括以下几个方面：推广新型隔震减震技术：将目光投向新型隔震减震技术，研究开发更加智能化、高效率的隔震减震技术，例如利用人工智能技术提高液体隔震器的性能，从而提高隔震减震效果的同时，也可以进一步降低建筑结构隔震减震的成本。制定更科学的材料标准：研究生产新型高质量的减隔震材料，为建筑结构的隔震减震提供可靠的保障。同时，建立更科学的材料标准体系，对生产企业进行严格的监管和检验，保证生产的新型材料能够符合相应的技术标准，从而保障隔震减震设备的品质。提高隔震减震设备的设计和制造能力：加强对隔震器的研发和设计，以提高设备的性能和质量，并降低其成本；同时，采用新型的制造技术和自动化生产线，可以进一步降低隔震减震设备的制造成本。降低维护成本：在建筑结构隔震减震的应用过程中，减隔震设备需要定期进行检修和维护，以确保其始终处于良好的工作状态。因此，降低维护成本是一个非常重要的方面。例如，利用智能化的检测系统，可以实现对隔震设备的实时监测和远程诊断，及时发现和解决问题，从而降低维护成本。

5.2 既有建筑改造困难的解决措施

在新建的建筑设计和施工中，应该注重隔震减震技术的应用，特别是在地震中、高烈度区的重点设防类、特殊设防类项目，应该将隔震减震技术的应用作为重点。对于那些已经建成、未使用隔震减震技术的老建筑，可以通过其他方法提高抗震性能，如对结构关键构件进行加固、在条件允许位置增设阻尼器等方法来提升抗震能力。同时加强地震科普，提高公众的安全意识，预测预紧地震风险，避免在地震风险较高的区域建造高层建筑、重要建筑和重要设施。

5.3 效果难以预测的解决措施

为了解决隔震减震效果难以预测的问题，可以采取以下方面的措施：建立地震模型：建立更加精确的符合实际的地震模型，通过计算机数值模拟分析，对模型输入地震波，模拟地震波产生的振动过程，以判断隔震减震的效果。多层次评估：根据项目规模大小不同，从概念设计、理论计算、物理试验、模拟分析等多个角度进行全面评估，提高评估结果的准确性。参考先进国家的经验：借鉴其他先进国家在隔震减震技术领域的经验和成果，尤其是在相似的地震环境下，以提高隔震减震技术的效果预测能力。不断完善技术：随着科学技术的不断发展，隔震减震技术的相关研究也在不断深入和完善，可以通过技术的不断创新和研发，提高隔震减震效果的准确性。

5.4 液体隔震的环境污染问题的解决措施

为了避免液体减隔震技术带来的环境污染问题，具体应采取以下措施：选用环保流体材料：选择环保流体材料作为液体隔震或减震阻尼的媒介，例如采用烷基腈类流体或水为减隔震介质。这些材料在使用过程中不会对环境产生重大影响，即使发生泄漏也能够较快地自然降解，对周边环境的损害也会减小。安全监管：加强液体减隔震设备的安全监管，定期进行设备检修和维护，及时发现和排除隐患，避免事故的发生。同时，制定应急处置预案，一旦发生泄漏事故，及时采取应急措施，控制损失范围。探索新型材料：在液体减隔震技术领域进行持续创新和探索，开发无污染、安全可靠的新型材料，提高其环保性和可持续性，以减少对环境的影响。意识普及：加强公众环保意识的宣传，提高公众对液体减隔震技术的安全使用和环保意识，使人们更加注重环保问题，并采取积极措施来保护环境。