建筑结构设计中隔震减震措施的实现及应用

2024-01-22刘春晓青岛腾远设计事务所有限公司山东青岛266000

中国房地产业 2024年3期

文／刘春晓青岛腾远设计事务所有限公司山东青岛 266000

朱济雷青岛赛信瑞祥置业有限公司山东青岛 266000

引言:

随着我国城市建设的稳步推进，很多城市的高层建筑占比也越来越高，所以在当前高层建筑结构设计中优化隔震减震显得越来越重要。而在隔震减震技术的运用中存在若干问题，包括如何有效规避现有的设计缺陷、保障设计的安全性和有效性，利用高新技术对现有隔震减震技术进行改造提升、扩大高素质从业人员在隔震减震工程中的比例等。为保障高层建设工程住房安全性，建筑物结构设计的减震技术和防震措施需要进一步发展。通过解决现有技术中存在的一些问题，保障建筑物结构设计科学、合理，增强工程结构可靠性，这样才能保证建筑的稳定性和安全性[1]。

1.减隔震技术简介

1.1 减隔震技术原理

减隔震技术的原理是将建筑物与地面之间的接触点换成减震器或其他吸能材料，使建筑物的振动转化成能量损失而非破坏。该技术可以分为两种类型：主动和被动减震。主动减震使用机械装置来消除建筑物的震动，而被动减震则利用材料的特性来分散和吸收地震能量。这些减震装置包括阻尼器、弹簧、液压缸、摆锤等。在建筑设计时，应考虑减震设备的位置和数量、材料的选择、设计强度等因素。减隔震技术的实现方式有多种，包括弹簧隔震技术、液体隔震技术、摆锤隔震技术、摩擦隔震技术等。这些技术的实现方式不同，但其基本原理都是通过减少建筑物或其他工程结构的震动，来保护其不受地震或其他地面震动的影响。

1.2 建筑结构的隔震与减震技术

通常情况下，会通过巧妙运用建筑的阻尼和地震能量之间的关系实施建筑减震。建筑结构中阻尼的提升可以有效消耗地震中的能量强度，建筑减震手段正是精妙地运用了建筑阻尼的特性得以实现，从而尽可能降低地震对建筑本体的不利影响。对于效能部件数量的配置、具体位置配置和安排问题，需要对建筑物实际状况以及周边地理环境进行详细的分析与计算。一般会在建筑结构中两个主轴方位放置消能构件，从而强化两个方位的阻尼与刚度。少量状况下，在结构变形较为严重的部位放置消能结构，从而平衡建筑物的整体阻尼水平，从而避免地震能量集中于某一部分，有效地将地震能量得以疏散，进一步提升整体建筑结构的抗震特性，实现建筑物的安全目标。隔震举措具有时间限制，要求在建筑工程施工前夕将隔震设计规划完成，最迟不能超过建筑施工时，需要对部分重点位置实行隔震处理。采取隔震手段的部位具备相应的选择性，一般状况下，会选择在建筑结构的基础部位与重点部位实施隔震设计。减震举措不同于隔震举措，不受时间限制，它既可以在建筑工程施工前夕对建筑的基础部位实行减震措施，还能够在建筑施工完成后对其实行加固举措的功效，从而提升建筑阻尼水平，进而实现建筑物的减震目的。减震举措的运用范畴较为广泛，既包含了建筑物上层架构，还包含了设隔震夹层。作为减震技术，它的主要功效在于将建筑物架构实行相应元件的设置达到消能减震设备的附加，强化结构的阻尼比例，进一步对预判的建筑架构变形实行管理，当地震到来时，附加消能设备可以吸取地震能量中的局部能量，有效减弱地震暴发时的破坏力，达到对建筑物的保护功效，让建筑物尽可能地不受地震灾害的破坏。

1.3 建筑结构设计中采用隔震减震措施的意义

随着人民对建筑安全的重视程度与生活水平的提高，为了防止建筑遭遇地震后中断重要的使用功能，避免人员伤亡及次生灾害，减少经济损失和社会，在建筑结构设计中，采用隔震减震技术能够有效降低地震作用对建筑物的破坏，通过这种方式可以充分提升建筑物的抗震性能，大幅度提升建筑物的安全性，使人身安全和财产得到保障，因此越来越多的建筑在结构设计环节使用隔震减震技术。隔震减震措施在当今时代背景下已经成为建筑结构设计的重要手段[2]。

1.4 减隔震技术的经济效益分析

（1）降低维修成本：采用减隔震技术可降低建筑物因地震而受损的风险，能显著减少破坏和失效的可能性，从而降低维修成本。（2）提高建筑物使用寿命：大多数减隔震装置都具有优异的耐久性和防腐性能，可保证其在使用过程中不易损坏或受到腐蚀。此外，减隔震技术还可减少结构疲劳和裂缝的形成，显著延长建筑物的使用寿命。（3）增加经营收益：采用减隔震技术的建筑物可在地震中保持较好的稳定性，减少损失和业务中断时间。这不仅有利于企业的生产和经营，还能增加企业的声誉和信誉度，为企业带来更多的商业机会。（4）提高投资回报率：采用减隔震技术虽需要一定的投资成本，但可通过降低维修成本、增加经营收益等方式实现投资回报。（5）促进产业升级和创新：减隔震技术的应用需要依赖于一系列关键技术和装置，如阻尼器、弹簧隔震系统、液压隔震器等。这些技术和装置的不断创新和发展，将有助于推动行业的产业升级和技术进步。（6）减少社会成本：采用减隔震技术可有效降低建筑物受到地震波的影响，减少人员伤亡和财产损失。这不仅有利于提升整个社会的安全水平和稳定性，也能减轻政府的救灾和重建负担。

1.5 原则

建筑结构设计中隔震减震策略包括以下3 项原则：（1）整体性原则。建筑结构设计中的隔震减震策略必须从整体角度出发，以建筑整体为设计对象，确保建筑整体的各个部位都具有良好的抗震性能，全面提升建筑物安全性。（2）简化性原则。为增强建筑的抗震性能，在进行建筑结构设计时，要求在保证居住性能基础上，对建筑结构进行简化，尽可能避免出现过于复杂的结构，使建筑的抗震性能受到影响。（3）抵抗性原则，建筑的抵抗性是提升建筑抗震性能的关键，要想使建筑结构具有良好的抵抗性效果，就必须采用合理的建筑工艺提高施工质量，使建筑结构刚度满足施工力学标准要求，施工完成后，根据相关流程对建筑结构稳定性开展检验，使建筑结受力平衡，减少地震带来的危害。

2.建筑抵抗地震的主要方法

2.1 抗震

抗震是让建筑物能承受地震产生的能量，为了满足抗震要求，主要采取以下技术措施：一是提高承重构件的强度，包括梁、柱、墙等，达到本地区抗震设防烈度；二是提高构件的韧性，即使变形也不会马上破坏；三是增强建筑主体结构的稳定性，在地震作用下不会散架。

2.2 减震

减震是在建筑物内部设置可以吸收地震能量的装置，一般称之为阻尼器，地震发生时能吸收、耗散部分摇晃能量，显著减小变形和破坏。相比之下，抗震是依靠建筑自身构件的变形和损伤来吸收地震能量，减震则是依靠阻尼器。在实际应用中，阻尼器对地震力产生阻尼，建筑物上部结构的变形减小，从而保护结构安全稳定。

2.3 隔震

隔震是隔离地震产生的冲击力，阻止地震力从大地传递到建筑物。一般情况下，是在地基与建筑物之间设置柔软的隔离层，地震发生时隔离层会出现较大变形，阻止高频地震波向上传递。如此一来，建筑上部结构的摇晃周期延长，只会发生缓慢的平动，从而保护主体构件、装修和内部设施[3]。

3.建筑结构设计中隔震减震存在的问题

3.1 支座受到抗震墙造成的影响

在进行减震和隔震的设计过程中，需要做到尽量分散，一方面，是因为这样能够让建筑结构变得稳固；另一方面，可以降低地震时给建筑带来的倾覆力加成，减弱支座拉力带来的严重影响，要根据要求确保受力较大的一面设置抗震减震支座，并确保各支座间距离不得超过2m，否则会导致抗震减震支座的作用无法体现，进一步影响建筑的减震隔震效果。

3.2 建筑物的走向设置对抗震性能造成的影响

设计人员不仅要深入现场进行实地考察，还要结合当地的地质状况和地震发生的方向，降低房屋在地震过程中的震向方向的过度震动。为了提高房屋的抗震能力，可以通过合理规划使建筑物的走向和地区震向呈现出相互垂直，有助于提高建筑的抗震能力，减小建筑物在地震中的损毁概率。

3.3 墙体与防震缝设计问题

在墙体的规划和设计中也可以进行隔震减震设计，要根据实际建设需求设计合适的防震缝，综合考虑其长度和宽度，促进建筑设计向更稳定、更安全方面发展，同时，在一些地壳运动较为活跃的地区应该着重设计防震缝，方便设计方加强对建筑结构设计中的稳定性控制，从而约束建筑物以及地面出现位移的程度。

3.4 建筑结构的选择

随着建筑隔震减震设计的稳步提升，新型的重叠橡胶支座具有更强的隔震减震作用，大大提升了主框架的避震能力，加强了建筑物在地震中的安全性能，故成为当前框架结构的常规选择[4]。

4.建筑结构主要隔震措施

4.1 特殊材料隔震

特殊材料隔震是一种比较省时环保的隔震策略。为了提高建筑结构的耐久性和韧性，可在建筑物主要承重部位使用黏土、砂砾等特殊材料，在建筑隔震支座中设置一层垫层，以此降低地震所产生的危害。随着隔震技术的不断创新，许多建筑结构会采用沥青作为特殊材料，利用沥青材料的可塑性能设置隔震层，使建筑的隔震效果更加突出。

4.2 基础隔震

建筑结构设计中的基础隔震策略旨在通过改变地下基础与上部结构之间的相互作用，在建筑物基础与上部结构之间设置基础隔震层，降低上部结构的地震反应。要求基础隔震层具有较高的可靠性以及安全性，降低地震对建筑结构的影响，对建筑结构起到良好的保护作用。从实际的应用效果来看，设置基础隔震层后，可进一步提高建筑的整体安全性，降低建筑上部结构的破坏程度，避免出现建筑倒塌现象，减少建筑内部人员伤亡。在设置基础隔震层时，需要选择合适的材料提升基础隔震层的隔震性能，例如，使用橡胶材料提高隔震垫层的性能。另外，在进行基础隔震设计的过程中，需要采用更加合理的设计。为保证建筑结构具有良好的隔震效果，需要在底部设置的隔震装置，当发生地震时，地震波不会传导到上部结构，保持上部结构稳定。为防止出现比较明显的位移和变形现象，可采用柔性连接方式对隔震层进行加固。

4.3 中间层隔震

中间层隔震是在建筑原结构的基础上，在上部结构的中间层增设隔震层，以此来减弱地震时有基础向高层传导的地震波，有效保护建筑上层结构。中间层隔震一般应用于现有建筑抗震改造中，与基础隔震相比，中间层隔震无须挖开建筑基础，只需在上部结构中间层增设隔震设施，就可以起到良好的防震效果。在具体设计过程中，为防止建筑物隔震层出现移动变形，在建筑外墙设置水平缝，需考虑建筑的抗震效果和外观协调感。为提高隔震性能，中间层隔震层的设置需满足以下要求：（1）中间隔震层水平刚度要足够高，在面对强烈的地震时，中间隔震层能够始终保持着初始刚度，防止中间隔震层出现明显的变形。（2）中间隔震层水平位置与上部结构中心距离保持一致，以提升隔震层的作用力。（3）中间隔震层具有较强的竖向承载力以及水平变形能力，在面对强大作用力时，对建筑物能起到有效的支撑作用。（4）中间隔震层要具有良好的自动复位功能，当发生较强的地震后，中间隔震层能够复位到初始位置中。

4.4 悬挂隔震

悬挂隔震设计是通过悬挂的方式将建筑结构各个部件悬挂起来，当发生地震时，地震所产生的能量在向建筑上部传递时会不断衰减，惯性作用逐渐下降，保证建筑不会倒塌。在面对强度较小的地震灾害时，地震能量并不会传递到悬挂的结构中，所产生的破坏程度也会进一步下降。悬挂隔震设计一般应用于大型钢结构设计中，大型钢结构建筑以钢结构悬挂体系为主，整个体系分为主框架和子结构，可以保证地震能量在传递过程中不断衰减。

5.建筑中常用的减震措施

5.1 无粘结钢结构体系

无粘结钢结构作为一种十分机敏的减震支撑结构，重点运用于建筑中核钢支柱和混凝土中间，形成滑动位移平面。钢结构被普遍应用于高层建筑中，然而纯钢结构材料的抗侧刚度无法满足建筑抗震的需求，钢框架支撑架构可以有效改善传统钢结构遭遇强风或者地震灾害时出现的位移过大的现象，但是它的支撑能力不强，在遭遇地震波强烈冲击时，非常容易产生变形和扭曲的问题，从而使得钢结构支撑系统所担负的力学结构失去效能。所以，通过前面所介绍的几种钢结构，近年来研究人员发现了一种新型防止弯曲变形的支撑架构，经由改良支撑杆零件，进而获得无粘结的支撑系统。这种支撑系统可以在内核设计钢支撑与外包构建之间增添了新型滑动位移层，使得当地震波扩散时，滑动位移层能够最大程度降低地震波对钢结构造成的破坏力，进一步实现优质的抗震效果。

5.2 加固减震

传统的建筑施工中常常会忽视对于抗震结构的设计，所以，现代化建筑设计中必须要对大部分旧房的减震功能进行强化。其中，使用最为广泛的加固措施是在建筑结构中添加阻尼，在建筑结构接合处、钢结构、隔震夹层中添加消震设备，进而促进建筑整体的抗震功效提升。以植筋技术为例，该技术主要通过将混凝土包裹至钢筋外部，使得混凝土钢筋表层融合为一，进而实现更优质的承受力。植筋技术手段具有多样化，并不受限于某一种植筋种类，可以依据建筑物实际情况进行挑选，不仅能够在普通钢筋加固工序中添加锚筋，促进钢筋全面实现防震减震的目的，还能够在加固过程中依据建筑物需要挑选植筋胶。相较于传统加固手段而言，植筋加固技术具有显著的优势，在地震带得到普遍的运用。当前植筋加固手段多被运用于高层建筑、钢结构建筑、工业厂房建设中，其不仅不会对原有建筑体系造成影响，更不会导致建筑结构的变化，从而具备较强的发展前景。

5.3 结构布置

除以上介绍的建筑物减震举措之外，依据地震来源进而选取建筑物地点以及建筑架构同样是一种有效且可行的减震手段。地震是由于地壳之间的剧烈运动引发导致，在选择建设用地前，需要对当地的地理环境和地质结构进行充分的勘察和分析，推断地震波冲击可能对建筑物造成的破坏力，经过充分计算分析能够获取最佳建设方式[5]。

6.建筑结构设计中隔震减震的提升途径

6.1 完善隔震策略

虽然现阶段正在实施的隔震策略比较多，但是大体是使用特殊材质的地基隔震、断层间隔地震的两种方式，想要进一步建设和发展建筑的隔震效果，相关设计企业要根据安全要求，与现场施工实际相互结合，不断研发新铺设垫层技术，提高隔震水平，降低地震造成的危害，在实际工程中，通常选用黏土与砂子来修建垫层，而沥青在今后隔震中会得到更加广泛的使用。

6.2 优化减震策略

现代建筑工程设计中的抗震策略通常使用建筑外部的结构部件，消耗地震带来的能量，从而增加建筑自身阻力，这些外部的结构部件安置方法很多，经常配备于层间、构造节点以及剪力墙等重要部位，无挫曲波纹型钢也能够进一步提高建筑的减震能力应设置在变形较大的楼层位置，由于抗震引起的单侧外力作用增加，剪力墙只会屈服而未产生挫曲变化，要有效处理基础位置，从而使剪力墙在单外力作用下拥有很大的刚性，以达到减震的目的，从而一定程度上增加了剪力墙的强度，通过一定的分析，研究建筑的受力体系，从而确定消能构件的数量与主轴方向分布，改变建筑的阻尼比，减小地震影响系数，有效减少因地震而损伤建筑构件，对于提高抗震措施的建筑尤为重要，而对于已成型的建筑物进行加固，也能增加抗震效果，但此种方式使施工变得更加复杂，还会增加施工成本[6]。