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详细内容

【建筑隔震】

1 引言
    地震是由于地面的运动,使地面上原来处于静止的建筑物受到动力作用而产生强迫振动,因而在结构中产生内力、变形和位移。经过简化后的模型动力学分析和建筑抗震经验设计,即一次次的震害分析进行修正、补充,得到一些建筑物在地震作用下的反应机理及破坏形式,提出了一些建筑物抗震的计算方法及设计的基本原则。这些在实际应用中得到了很不错的效果。但是,针对某些重要的建筑物安全性较高的要求和对一些建筑物的修复加固改造的问题,在建筑设计和施工中逐渐地采用隔震和消能减震技术。
    隔震即是隔离地震,在建筑物和构筑物的基底或某个位置设置控制机构来隔离或耗散地震能量,以避免或减少地震能量向上部结构的传输,使结构振动反应减轻,实现地震时建筑物只发生较轻微的运动和变形,从而保障建筑物的安全。随着科技发展,这种技术越来越来受到人们的重视。
2 传统的抗震方法
    传统抗震结构主要利用结构主体结构抗侧力构件屈服后的塑性变形和耗能来耗散地震的能量,因此对这些区域的耗能性能要求特别重要。一旦由于某些因素而导致这些区域产生问题,则就会严重的影响结构的抗震性能,甚至产生严重破坏。在以往的结构抗震设计中,主要通过在结构设计中设置多道抗震设防线、选用耗能构件和对结构的刚度、承载力、延性的合理匹配来提高结构抗震性能。
3 隔震技术与作用机理
    隔震技术尚属新兴学科,它能有效地吸收地震能量,减少结构的水平地震作用,从而消除或减轻结构和非结构的地震损坏,增强建筑物及内部设施和人员的地震安全性,提高建筑物的抗震能力。
    


       与以往的建筑结构抗震设计,采用隔震技术的建筑物具有以下优点:
    (1)、提高地震时结构的安全性;
    (2)、设计自由度增大;
    (3)、防止内部物品的振动移动和翻到;
    (4)、防止非结构构件的破坏;
    (5)、抑制振动的不适感;
    (6)、可以保证机械器具的使用功能;
    隔震主要分为:积极隔震(对动力设备采取隔振措施)、消极隔震(对建筑结构采取隔震措施)。无论积极隔震还是消极隔震,采取隔震措施就是在基底和结构之间设置减振器或减振材料。在隔震设计时,要经过计算,进行多方案比较选择最佳方案。不经过计算而直接采取隔震措施,有时会导致隔震效率不高或者不经济。当处理不好时,还可能产生共振,不仅无益还会加大震害。

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隔震结构原理模型图
    从隔震结构原理的模型图分析得知:
    (1)、弹簧的刚度越大,振子的周期就越短;弹簧的刚度越弱,振子的周期就越长。当弹簧的刚度特别大,则建筑物就不能滚动,只有自身的往复变形运动,即建筑物的自身振动,隔震措施就没有发挥出隔震作用;当弹簧的刚度特别小时,建筑物就不能往复运动,即不能成为振子。
    (2)、当滚珠的摩擦力特别小时,建筑物的往复运动就不会停止;当滚珠的摩擦力特别大时,建筑物就会立刻停止。
    因此,建筑物的运动特性取决于自振周期和阻尼两个因素,而自振周期又取决于建筑物的质量和弹簧的刚度。可知,对建筑物采取的隔震措施,其效果取决于隔震器和阻尼器的特性。
4 隔震方案设计
    4.1 基础隔震
    在建筑物或构筑物的基底设置隔震装置。
    4.1.1 隔震器
    (1)、橡胶支座
    它是由多层橡胶和钢板相互叠加而成,在施加竖向荷载时,由于橡胶受到钢板的约束,不会产生很大的横向变形,即具有很强的抗压能力;水平方向有很大的变形能力,在地震作用下,橡胶垫可以隔离水平方向的运动分量。最初是在1965年用于伦敦的地铁车站上面的建筑,采用多层橡胶支座防止了地铁的振动传给上部建筑物。
    (2)、铅心橡胶垫
    它是对橡胶支座的一大改进。在橡胶支座中心钻孔,插入一个铅芯,利用其塑性变形能力把支座的临界阻尼从3%增加到10%~15%。因此,在低阻尼要求的情况下,可以不使用阻尼器。
    (3)、柔性桩结构
    它是采用立在套管中的桩来隔震,桩顶铰接,使桩在水平方向有一定的柔性,套管和桩之间有一定的间隙,使桩可以在套管中变位,将结构与可能发生有害地震的土层分开。当桩顶安置阻尼器时,可构成有效的隔震基础系统。
    4.1.2 阻尼器
    (1)、油阻尼器
    它是比较理想的阻尼材料。根据流体动力学理论可以设计各种形式的油阻尼器。所采用的油材料很多,通常油硅油、机械油、柴油机油、变压器油等。在设置时,一般不少于四个,对称布置在基础的四角,避免在体系质心的坐标轴线上布置阻尼器。
    (2)、摩擦阻尼器
    将几块钢板用高强螺栓连在一起,可做成摩擦阻尼器。通过调节高强螺栓的预应力,就可调节钢板间摩擦力的大小。通过对钢板表面进行处理或加垫特殊摩擦材料,可以改善阻尼器的往复摩擦性能。
    (3)、弹塑性阻尼器
    低碳钢具有良好的塑性变形性能,可在超过屈服应变几十倍的塑性应变上下往复变形数百次而不断裂。根据需要,可以将钢板(棒)弯成各种形状做成阻尼器。
    4.2 悬挂隔震
    悬挂隔震即将结构的全部或大部分质量悬挂起来,使地震动传递不到主体质量上,产生较小的惯性力,从而起到隔震作用。悬挂结构在桥梁、火电厂锅炉架等方面有大量应用。
悬挂结构悬杆受力较大,须采用高强钢,而高强钢韧性差,在竖向地震作用时易拉断。为减小竖向地震作用,可在吊点设减震弹簧,并配合使用阻尼器。著名的43层香港汇丰银行新大楼采用的就是悬挂结构。
5 隔震结构设计
    (1)、隔震层的位置
    设置在建筑物最小层的基础隔震和设置在建筑物中间层的中间层隔震。在实际工程中,主要根据建筑物的用途、性能、造价等因素来进行综合判断确定合适的隔震层位置。如将隔震构件用于较大范围若干栋中低层住宅的底下部分,其空间可作为设备用房,停车场和共用管道沟,这样可有效利用城市空间。
    (2)、隔震层水平刚度的结构方案
    为了提高隔震效果,隔震层的水平刚度应十分低,使建筑物的自振周期增大。在实际中,可以采用大间距、大直径多层橡胶的结构方案,使得每个隔震器的受荷面积增大,而总数减少。
    (3)、多层橡胶层不产生拉力的结构方案
    多层橡胶受拉剪的试验资料比受压剪的少,应保证其受力可靠。因此,多层橡胶与上部分结构不采用螺栓连接而采用铰接连接,使多层橡胶层不产生拉力。
    (4)、净空间距
    在遭遇特大地震作用时,建筑物的变形不能导致碰撞。因此,水平方向上,应保证具有上部结构的地震变形的1.5~2.1倍的净空间距。
    (5)、隔震构件的置换
    隔震建筑中,变形和能量吸收都集中在隔震层,因此隔震层构件有可以置换的隔震结构的优点。特别是与隔震器独立的阻尼器的置换一般较为方便。由于隔震器承受建筑物的重量,不如阻尼器置换容易。一般采用在建筑物或局部设置千斤顶来置换隔震器或对其加固。
6 隔震结构的应用与造价
    6.1 隔震结构的应用
    一般来说,隔震结构可以适合各种用途的建筑,并都能获得较好的隔震效果。出于结构的安全性、房屋内部物品的振动翻到、防止构件二次损坏等因素,更适合用隔震措施的建筑物有:
    住宅(居民住宅、养老院、疗养院)、公共建筑(剧院、医院、旅馆)、防灾中心建筑(学校、消防局)、核电设施(核电站、仓库)、尖端产业设施(研究所、超精密加工厂)、纪念性建筑物(纪念建筑、寺庙)等等。
    6.2 隔震结构的造价
    隔震建筑在振动性能和抗震安全性方面提高了建筑物的附加价值,因此与以往建筑物比较时,应考虑附加价值进行综合评价。在考虑隔震建筑的造价时,不仅要考虑初始造价,如果从包括建筑物在使用阶段的维修、重建、内部物品的损坏和经济损失来考虑,隔震建筑具有很好的经济性。从国内外建筑的实例来看,全部工程费用可能增加,但隔震效果好,上部结构和基础结构部分的造价减少很多。如果能有效的利用隔震层作为设备层或停车场就可以抵制隔震层的费用增加。因此,总造价可能就会降低。

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