隔震、减震控制技术在建筑结构设计中的运用分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 06 日 作者简介：郑朝曦（1991），男，汉族，河北石家庄人，大学本科，中级职称，研究方向为建筑结构设计。-37-隔震、减震控制技术在建筑结构设计中的运用分析 郑朝曦 中联合盛科技有限公司，河北 石家庄 050000 摘要：摘要：本文在阐述建筑结构隔震、减震控制技术基本原理的基础上，从隔震结构的特点、隔震控制技术应用原理以及隔震系统组成等方面分析了隔震技术在建筑结构设计中的具体应用；从结构耗能减震技术的特点、结构耗能减震装置的类型以及耗能减震结构对建筑设计的要求等方面分析了减震技术在建筑结构设计中的具体应用。对建筑结构隔震减震设计提供了一种参考。关键词：关键词：建筑结构设计；隔震控制；减震控制；装置类型；应用分析 中图分类号：中图分类号：TU3 民用建筑为人类提供了必要的生活空间，也是人类追求美好幸福生活的必要载体。对于建筑设计人员和建筑施工人员来说，如何保证房屋建造质量、居住安全、建筑结构的稳定性以及高等级的抗震性能是其职业生涯中首要考虑的问题。随着城市化进程的不断加快，土地利用集约化的理念不断深入建筑设计和建筑规划人员的思想，在有限的土地资源上想要实现更多建筑空间，只能向高层建筑发展，所以城市建筑内高层建筑、超高层建筑如雨后春笋般拔地而起。高层建筑在给人类生活带来更佳体验的同时，其防震减震技术也也提出了更高的要求，如何进一步有效提升高层建筑的抗震性能已是摆在建筑设计和建筑施工人员面前的一道不可回避的问题。基于此，本文深入探讨防震、减震控制技术在建筑结构设计中的具体应用，确保按照此理念设计和施工的建筑在地震来临时，能最大限度提升建筑结构的安全性能，保护建筑使用人员的生命财产安全1。1 建筑结构隔震、减震控制技术简述 建筑结构隔震、减震性能实际上是指建筑结构本身的整体强度、建筑结构整体刚度以及建筑结构整提的延性，通过对建筑结构整体刚度、强度以及延性的提升，可以有效增加建筑结构本体在地震灾害面前的结构稳定性，继而达到最大限度减少地震中人员伤亡和财产损失的目的。增加建筑结构本抵抗地震能量或者消耗地震能量的设计思路属于被动抵抗地震灾害的设计思路，由于地震产生的能量波太大，波及范围太广，所以被动的提升建筑结构刚度和强度对抵抗地震能量有一定帮助，但是其在减少地震灾害带来的损失方面的效果不甚明显。与被动提升建筑结构主体强度和刚度的设计方法相比，在建筑结构内部通过系统性的分析调查和计算，在合理的位置增加隔震和减震系统，能更好的减低地震灾害对建筑结构的损害，也能更好的保护建筑使用者的人身安全和财产安全。根据建筑结构特点、建筑结构高度以及建筑结构的抗震等级等因素为基础，在建筑结构本体内预先设置控制装置来抵御地震能量波，将地震能量进行短暂存储和消耗，最大限度的减少地震能量对建筑结构本体的冲击，保护建筑结构安全。相比被动抵抗地震能力的设计理念，此种设计理念称为“建筑结构隔震、减震控制理念”，在此减震理念下完成的建筑设计，可以有效的降低地震能量对建筑结构的冲击。建筑结构隔震、减震控制技术按照是否需要外部能量加持，划分为 4 种隔震、减震类型，如图 1 所示。从图 1 中可以看出，被动控制减震技术和半主动控制减震技术都不需要外部向建筑结构内部输入控制力来抵抗地震能量，被动控制技术在地震发生时，不但不需要外部输入控制力，也不需要外界干扰信息的加持，而半主动控制减震技术是需要外部干扰信息的加持。主动控制减震技术是需要一部分外部能源输入，当地震发生时，主动控制减震技术不但需要需要外部能量输入，还需要外界干扰信息加持。主动控制减震系统由传感器、运算器以及施力作动器三类装置共同组成。主动控制技术是将地震控制理念融入自动控制技术的中国科技期刊数据库 工业 A-38-一种全新隔振、减震思维方法，可以对建筑结构所受到的地震能量冲击进行转化和储存，可以较好地保护结构安全性能。混合控制就是将图 1 中前三种控制模式进行两两混合后得到的组合控制模式并加以灵活运用。从图 1 中可以看出，隔震、减震技术还是属于被动减震技术范畴，但是这个被动减震范畴与我们上面提到的增加建筑主体结构刚度、强度以及延度的被动防御是两个概念。本文接下来将以从建筑结构隔震控制技术和建筑结构消耗地震能量减震控制技术两方面进行分析研究。图 1 建筑结构隔振减震控制技术类型分类图 2 隔震、减震控制技术在建筑结构设计中的具体应用 2.1 隔震技术在建筑结构设计中具体应用 2.1.1 隔震控制技术概述 建筑结构隔震的具体操作是在基础和建筑上部结构之间设置一套具有隔震作用的装置或者一整套具有隔震功能系统，在建筑基础范围内形成隔震层。建筑基础隔离层相当于将建筑基础与建筑主体结构进行了有效隔离，当地震发生时，建筑基础结构承受了大部分地震能量，建筑基础结构隔离大部分地震能量的同时，也消耗了部分地震能量，减少了地震能量向上部建筑结构主体传输，继而较好的保护了建筑主体结构的安全，明显降低了建筑结构主体对地震能量的反应，在地震发生时，建筑结构主体在建筑基础隔震系统的保护下，只会有轻微振感和轻微的结构变形，尽最大努力保护了建筑使用者的生命财产安全2。2.1.2 隔震控制技术应用原理 建筑结构基础隔震系统设置时，需要用到隔振器和阻尼器。隔振器和阻尼器在垂直方向上的刚度非常大，相比垂直方向巨大的刚度来说，隔振器和阻尼器水平方向的刚度较小。当地震发生时，地震能量是从下至上，以垂直的方式从建筑基础向上部建筑结构主体传递，而隔振器和阻尼器在垂直方向上的较大刚度增加了建筑隔震效果，隔振器和阻尼器的强度越大，建筑结构的减震效果越好。隔震控制技术的基本原理是通过隔振器和阻尼器等装置形成一整套完整的隔震控制系统，可以有效的阻隔地震传递的破坏力，有效延长建筑结构的使用周期，这时候单独增加建筑结构阻尼，当地震发生时，会有效缩短建筑结构产生加速度的反应时间。此外，建筑结构在收到地震能量的影响后，其所产生的位移都集中在建筑基础上部的隔震控制系统上，建筑上部结构整体位移量较小。在地震破坏力作用下，建筑上部主体结构较小的位移量充分保护了建筑结构的完整性，建筑结构抗震性能得到了有效提升，建筑结构在地震中被大规模破坏发生的概率大大降低。2.1.3 隔震结构的特点 建筑结构设置了隔震结构后会有以下 5 点特性。第 1 点特性：建筑基础位置设置了隔震控制系统后，当地震发生时，建筑结构主体的安全性能会得到较大提升；第 2 点特性：当建筑结构基础位置设置隔震控制系统后，相当于建筑主体结构的安全性能已经得到了较大保障，这时候建筑主体结构设计思路更加灵活，一些前卫的造型设计不必拘泥于抗震需求，即便建筑设计人员要在上部结构增设抗震系统，也有更加明确的设计方向；第 3 点特性：建筑基础隔震系统承担了大部分地震破坏力，建筑上部主体结构产生的振动较小，建筑本身较小的振动，会使得建筑物内部物体的振动幅度更小，建筑物内部物体不会出现大量的倒塌，继而大幅度减少了地震发生时，建筑使用者的人生伤亡和财产损失。基于此，建筑结构设置了隔震系统后，当地震发生时，可以有效降低建筑结构内部发生次生灾害的概率。第 4 点特性，建筑隔震结构可以大幅度降低地震来临时，建筑结构内部非建筑结构设备的损害概率。第 5 点特性，建筑基础部位安装隔震系统后，建筑结构主体在地震发生时不会产生剧烈的摇晃，可以最大限度的降低建筑使用者应建筑摇晃和振动带来的不是感，在为建筑使用者提供安全保护的同时，提供了一定的舒适性。中国科技期刊数据库 工业 A-39-2.1.4 隔震结构适用的建筑类型 隔震结构在一些公共建筑领域得到了广泛应用，比如位于繁华市区的医院、银行以及保险总部大楼、负责区域通信的电信大厦以及消防电力枢纽中心等重要的民生保障服务中心建筑，这些建筑几乎包涵了整个民生保障范围，所以一旦发生地震，必须要保证这些建筑的正常运行，继续为公众提供必需的服务保障，发挥其应有的社会责任和义务，促进震区地震后尽快恢复有序的生活状态。除此之外，像具有收藏功能的图书馆、博物馆以及重要的工业建筑，虽然这些建筑的总高度不算很高，但是单体面积较大，而且内部的藏品和产品附加值价高，在此类建筑设计时，也应考虑使用隔震结构。2.1.5 隔震系统组成及功能分析 前面提到了建筑隔震系统中应包含隔振器和阻尼器，隔震系统中除了隔振器和阻尼器之外，还应该包括地基微震动系统和风反应控制装置。隔振器在不发生地震时，垂直方向主要承担支撑上部主体结构传递的荷载至建筑基础，水平方向将隔振器的弹性优势发挥出来。此外，虽然隔振器水平方向上的刚度与垂直方向上的刚度相比可以忽略，但是其水平方向上仍然存在刚度，水平方向上这一部分刚度可以延长建筑物的基本使用周期。阻尼器的主要作用是吸收和消耗地震破坏力的，同时阻尼器还可以抑制建筑结构在地震破坏力下产生较大的位移。此外，阻尼器还有一个重要的作用就是在地震结束后，帮助隔振器恢复到地震之初的样子。地基微震动系统和风反应控制装置可以快速增加隔震系统初期的刚度，可以保证建筑主体结构在受到风荷载作用或者轻微振动时，不会发生任何振动和位移，依然保持建筑结构主体的稳定性。2.2 结构耗能减震技术在建筑结构设计中的运用 2.2.1 结构耗能减震技术的特点 减震技术是通过在建筑结构主体支撑位置设置诸如阻尼器等可以消耗地震能量的设备，当地震发生时，地震能量都过预先在建筑结构支撑位置设置的耗能装置时，地震能量会被耗能装置消耗分解，大幅度降低地震力进一步向建筑结构主体传播。建筑结构中适合安装耗能装置的位置有建筑剪力墙、梁柱节点、梁体连接缝、楼层空间以及相邻建筑物的连接位置等都比较适合安装耗能设备。传统的初期耗能减震结构特点是依靠建筑本身自带的“滞回”功能，对地震能量进行吸收和消耗，这种减震设计理念对降低建筑所承受的地震能量十分有限，建筑结构吸收地震能量的本质是依靠建筑结构主体的弹塑性变形能力来消耗地震能量，在消耗地震能量的同时，也大大损伤了建筑结构本身的完整性。换言之，建筑结构本依靠非弹性变形吸收的地震能量越大，建筑结构本身受到的破坏程度也越大。所以结构耗能减震技术是要完全摒弃建筑结构主体依靠自身非弹性变形能力来吸收地震能力的思路，要在建筑结构关键部分设置诸如阻尼器等耗能材料，通过耗能材料对地震能量的吸收，充分降低传入建筑结构内部的地震能量，继而较好的保护建筑主体结构的安全性。通过对安装结构耗能减震技术的建筑进行研究发现，安装了耗能建筑技术的建筑抵抗地震破坏力的机理十分明确，阻挡建筑破坏力的效果也非常好。此外，建筑耗能装置如阻尼器等价格也十分廉价，可以充分的降低建筑结构建造成本，实现良好的社会效益和经济效益。2.2.2 结构耗能减震装置的类型 结构耗能减震装置类型划分标准有两种，一种是根据结构耗能装置的作用机理进行划分，一种是根据结构耗能装置对耗能来源的依赖种类来划分。其中根据结构耗能装置的作用机理来划分，结构耗能装置可以分为摩擦型耗能装置、钢弹塑型耗能装置、铅挤压型耗能装置、粘弹型耗能装置以及黏滞型耗能装置。根据结构耗能装置对耗能来源的依赖来划分，结构耗能装置可以划分为与速度相关性耗能器和与受力相关性耗能器，其中与速度相关性耗能器代表是粘弹型阻尼器；以受力相关性耗能器为代表的装置是摩擦型耗能器、钢弹塑型以及铅挤压型耗能器。2.2.3 耗能减震结构对建筑设计的要求 在进行建筑耗能减震解结构设计时，要根据建筑抗震等级对建筑结构可能发生的位移做预期评估，根据评估结果来设置安装耗能设备的建筑结构位置。建筑结构的斜支撑、填充墙、梁、板节点是按照耗能装置的首选位置。耗能装置安装时要遵循沿着结构纵向和水平向主轴设置的基本原则，且应对放置在地震能量冲击下可能会发生较大位移的结构处，耗能减震装置的放置数量和具体分布情况没有规范标准，要根据具体情况进行具体分析。耗能减震体系的耗能设备应满足以下要求：（1）耗能设备应具有足够的吸收能量中国科技期刊数据库 工业 A-40-的能力，尽最大程度上吸收并消耗地震能量，耗能设备也应具有一定的阻尼系数，恰到好处的消耗地震传递过来的破坏力。（2）耗能减震结构部件对建筑主体结构的有效附加阻尼系数应小于比 10%。（3）耗能构件自身要具有主够的初始刚度。（4）耗能减震装置的造价不能太高，以免增加建筑整体造价。3 结束语 地震属于不可抗力因素，以现阶段的科学技术水平，还无法准确预告地震的发生，也无法阻止地震的发生。在建筑结构设计过程中，只能在一定程度上对地震发生后的地震能量进行吸收和消耗，尽最大努力降低地震对建筑主体结构的破坏。建筑隔震和减震设计，是目前能有效降低地震带来破坏的主要防御手段，建筑人员要综合分析建筑结构内部作用力之间的关系，根据建筑结构特性来合理的设置隔震、减震装置，达到有效降低地震破坏力的目的。参考文献 1赵永胜.抗震概念设计在隔振建筑结构设计中的应用J.砖瓦,2023(6):104-106.2马良策.建筑结构设计中的隔震减震措施浅析J.城市建设理论研究(电子版),2023(4):131-133.