论工程结构防震技术的发展研究

　　摘 要：地震是一种危害性极大的自然灾害,往往造成惨重的人员伤亡和巨大的财产损失。尽管人们尽了很大努力,但按照现代设计规范建造的建筑依然在地震中遭到严重破坏。这促使人们更进一步对抗震设计方法进行深入研究以减轻地震损失。本文对工程结构的防震技术--抗震、消震、隔震进行研究比较，指出随着科技的发展，结构防震技术将由以往被动的“抗”逐渐转向积极主动的“消”、“隔”，从而使防震效果更佳。

　　关键词：工程结构 ;抗震;消震;隔震

　　Abstract: Earthquake is a natural disaster with great damage, and often causes heavy casualties and great damage to property. Although people do great efforts, the construction according to the modern design code still encounters damages in earthquake, which promotes people to future researching the seismic design method for mitigating earthquake losses. In this paper compares the anti-seismic technology, seismic weakening, isolation, and points out the development of science and technology that the structured seismic prevention technology will transform form the passive to posotive, with better seismic prevention effects.

　　Key words: engineering structure; seismic; seismic weakening; seismic isolation

　　中图分类号：P426.1+1 文献标识码：A 文章编号：

　　地震是一种危害极大的突发性自然灾害，工程的结构抗震技术是一项十分重要的高科技技术,它能有效避免和减少建筑物在地震中所遭受的损坏。因此，为减少震害，有效地防御地震，不断地研究完善结构防震的理论与技术显得十分紧迫且必要。

　　1工程结构防震技术的演变

　　工程抗震防灾技术从20世纪初日本明确提出的静力理论阶段逐步发展到大大减小结构体系的刚度而形成的柔性结构体系,进而发展为增大上部结构刚度,减少结构底层刚度的柔性底层结构体系,后来又发展到目前我国及世界各国普遍采用的延性结构体系的传统抗震方法。

　　传统抗震方法以既定“设防烈度”为设计依据,以“抗”为主要途径,通过适当控制结构物的刚度,使结构构件在地震时进入非弹性状态且具有较大的延性,以消耗地震能量,减 轻结构的地震反应,使结构物“裂而不倒”。

　　2 结构的抗震

　　结构抗震技术是一种传统的防震技术，抗震设防目标被形象地描述为“裂而不倒”，在现行的抗震设计规范中又将这一设防目标具体化为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。为了达到这一目标，要求结构构件具有相当的强度和塑性变形能力。这种设计思想实际上是一种“疲劳战术”，即是依靠建筑物的结构构件的强度和塑性变形能力，来抵抗地震作用和吸收地震能量，抵御地震作用立足于“抗”。传统建筑物结构基础固结于地面，犹如地面上的一个地震反应“放大器”，地震时建筑物受到地震的作用由上向下逐渐放大，从而使结构构件被破坏，建筑物内人员也会感到强烈的振动。为了保证建筑物的安全，必须加大结构构件的设计强度，耗用材料多。地震力是一种惯性力，建筑物的构件断面大，所用材料多，质量大，同时受到的地震作用也增大，这样很难在经济和安全之间找到一个平衡点。同时传统的抗震方法仅能解决7~9度区的设防问题，而结构在高裂度下被破坏，对此，目前的抗震方法尚无法解决。之所以如此，是因为通常的工程抗震方法不是御“患”于外，而是引“患”入内，让地震波自然输入上部结构，引起上部结构的强迫振动，然后采取增大构件截面尺寸，增加配筋量……等措施来抗震。应该说传统的防震技术完全是一种被动的方法，要改变这种状况，必须研究和采取有效的防震技术，于是有专家提出了“消震”技术。

　　3 结构的消震

　　结构消震构造措施和设计手段，对结构加以控制使之形成最佳耗能机构，以吸收和耗散地震能量。强调抗震与消震相结合，突出消震作用，即结构在地震作用下，做到“小震抗，大震消，中震抗消结合”，将设计与分析相结合，强调设计的主观能动性。消震技术的关键是在结构的次要部位，通过设计分析，人为地采取一些构造措施，形成构造的薄弱环节，使之在地震作用到一定程度时，首先出现破坏，产生塑性变形，以变形消耗地震能量。例如对R.C剪力墙结构在联系梁两端，通过设计增加一些构造、措施，人为地设置塑性铰。地震时保证梁两端首先开裂破坏，待震后再修复加固联系梁(较之加固被破坏的主体结构简单易行)。

　　消震技术较抗震技术显得积极主动些，加大了人的主观能动性的作用，但仍需与“抗”相结合。虽然理论上可行，但实际操作上难度较大，不易实现况且以被破坏结构的次要部位来消耗地震能量，其代价也是相当大的。鉴于以上原因，人们又提出了结构的隔震技术。

　　4 结构的隔震

　　由于抗震和消震方法上存在缺陷，因此缺乏发展前途。要改变抗震方法的缺陷，需要变“抗”为“隔”，以“隔震”取代“抗震”或“消震”，这样才能提高抵御地震灾害的能力。

　　结构的隔震是在结构底部设置隔震措施，大幅度降低地震波向上部结构传递，从而明显减轻或消除地震造成的灾害。隔震比之抗震，技术手段发生了本质变化，因为二者抵御地震的途径不同。

　　隔震属结构控制范畴，结构控制系研究结构控制装置的设计理论及方法。结构控制分主动控制(Active Control)和被动控制(Passsive Control)。主动控制是通过控制器向结构输入能量，改变经过结构系统特性，使结构系统能指标函数极小，进而减小或抑制结构反应。从理论上讲，主动控制可以针对具体情况，实现所需的任意控制状态。主动控制原理先进，控制效果显著，但由于控制力需要外部能源，故这种控制器的设置技术高，且费用昂贵。主动控制由于许多问题尚未解决，目前仍处于研究阶段。被动控制包括基础隔震、减震、耗能、使用调频质量阻尼器(Tuned Mass Damper,简称TMD)等。被动控制的特点是结构简单，工作可靠，易于控制，造价低廉，不需要外部能源，但对结构的控制有局限性。目前，国内外对结构的控制还是以被动控制为主。

　　一般结构隔震技术是在基础和上部结构之间设置隔震元件，形成柔性底层，使基础和上部结构断开，延长上部结构的基本周期，从而避开地震地面运动的主频带范围，减小共振效应，阻断地震能量向上部结构传递，将其直接吸收或反馈回地面。采用隔震技术，上部结构的地震作用一般可减弱1/4~1/8，地震时建筑物上部结构的反应以第一震型为主，类似于刚体运动，基本无反应放大作用，从而保证建筑物的安全甚至避免小结构构件如设备、装修被破坏。隔震技术的设防策略立足于“隔”，采用“拒敌于门外”的防御战术，“以柔克刚”，利用专门的隔震元件，以集中发生在隔离层的较大的相对位移为代价，阻隔地震向上部传递，使建筑物有更高的可靠性和安全性。目前的隔震技术主要有以下几种：

　　4.1 夹层橡胶垫隔震

　　夹层橡胶垫用天然橡胶垫或合成橡胶垫与钢板夹层设置，此种隔震措施平时可承受垂直荷载、地震时能承受地震作用F,其水平方向可有一定位移，因此具有隔震效果。

　　4.2 滚轴隔震

　　结构支撑处设置双层滚轴，每层滚轴的滚动方向彼此垂直，每层滚轴之间以垫板相隔。

　　4.3 双柱系统

　　地下室的柱子是空心的，而且刚度较大，其内放置着承受整个上部结构荷载的很柔的柱子，该系统具有双线性性状，在地震作用下，允许内柱在一定限度内摆动。

　　4.4 悬挂吊式隔震

　　将上部结构悬挂起来，此种隔震措施效果较好，但悬挂吊装置施工困难，造价昂贵，且易失灵。

　　4.5 螺旋弹簧支座隔震

　　螺旋弹簧由金属材料制成，其材料为锰钢、硅锰钢和铬钒钢。螺旋弹簧的优点是材料和结构参数的可选范围大，能适应不同的荷载变形，性能稳定、耐久性好。

　　4.6 阻尼器隔震

　　此系统是弹簧塑性阻尼器、粘性阻尼器及摩擦阻尼器。当地震发生时通过适度阻尼，吸收能量而起隔震作用。

　　5 隔震技术的发展方向

　　人类在与地震斗争的过程中，防震理论和技术不断进步，并在实践中得到发展、完善。从单纯的“抗”到“消”再发展到“隔”，抗震设防策略发生了重大改革和飞跃。尤其是隔震技术作为一种新兴的建筑应用技术，代表着未来建筑防震技术的发展方向，已经受到越来越多的工程技术人员和其他专业人员的认可和关注，并且在推广应用中必将逐步走向成熟。与此相应，关于隔震技术的应用设计规范、规程和产品标准也必将推动隔震技术的发展。

　　总而言之，目前我国地震形势十分严峻，未来，几年我国仍将处于地震活跃期。隔震技术应该为也能够为减轻地震灾害、保障人民生命、财产安全做出更大的贡献。

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文章名称： 论工程结构防震技术的发展研究

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