建筑结构设计中的隔震减震措施研究.pdf

13现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 3 期2024 年 2 月Vol.3 No.3Feb.2024建筑结构设计中的隔震减震措施研究蒋昌辉，关 超柳州市建筑设计科学研究有限公司，广西柳州 545000摘 要：地震灾害会对广大人民群众的生活及人身财产安全造成不良影响，因此人们越来越重视建筑结构中的隔震减震设计。相关设计应有效提高建筑工程的抗震性能，尽可能地降低建筑结构在地震中的损伤程度。利用文献分析法与经验总结法，从合理选择建筑位置、隔震支座布置加固措施、橡胶隔震支座类型及特点、减震措施四个方面，对建筑结构设计中的隔震减震措施展开研究。结果表明，在建筑结构设计中，合理应用隔震减震技术可以有效降低地震对建筑物的破坏，保障人民群众生活及人身财产安全。关键词：建筑结构设计；隔震；减震中图分类号：TU318;TU352.1 文献标识码：AResearch on Seismic Isolation and Reduction Measures in Architectural Structure DesignJiang Changhui,Guan ChaoLiuzhou Architectural Design Science Research Co.,Ltd.,Liuzhou,Guangxi 545000Abstract:The frequent occurrence of earthquake disasters has a negative impact on the lives and personal and property safety of the general public,making people increasingly pay attention to seismic isolation and reduction design in building structures.The seismic performance of construction projects should be effectively improved,and the degree of damage to building structures during earthquakes should be minimized as much as possible.Using literature analysis and experience summary methods,this study investigates the seismic isolation and reduction measures in building structure design from four aspects:reasonable selection of building location,arrangement and reinforcement measures of isolation bearings,types and characteristics of rubber isolation bearings,and seismic reduction measures.The results indicate that the reasonable application of seismic isolation and damping technology in building structural design can effectively reduce the damage of earthquakes to buildings,and ensure the safety of peoples lives and personal property.Keywords:architectural structural design;isolation;damping作者简介：蒋昌辉（1990），男，柳州市建筑设计科学研究有限公司工程师，研究方向为土木工程。地震是常见的自然地质灾害之一，地震发生时会造成建筑结构损坏、建筑物倒塌等危害，严重威胁广大人民群众的人身及财产安全。尤其是对于高层建筑而言，地震所造成的危害更是难以估计。因此，必须在建筑结构设计过程中做好隔震减震设计，确保建筑工程结构具备良好的稳固性与抗震性。鉴于此，文章研究了建筑结构设计中的隔震减震措施。1 建筑结构设计中的隔震减震技术1.1 隔震技术与减震技术相比，基础隔震设计方式具有多样化、多元化、灵活化等优势。建筑工程隔震设计中较为常用的隔震方式主要是选用特殊材质的地基隔震、断层间隔震等设计方式。为有效确保隔震设计的稳定性与长效性，需要隔震设计人员结合实际情况加强对特殊材料类型的控制，在地基隔震设计中较为常用的特殊材料主要有沥青、砂浆等建筑材料。地基隔震方式在实际应用期间具有较为良好的隔震效果，且该方式具有一定的普适性，能够满足多数建筑工程的隔震设计标准与要求。需要注意的是，为充分发挥地基隔震设计的性能，需要确保其在建筑的基座及建筑上部构造之间设计隔震层，结合实际情况将建筑整体结构合理划分为三部分，即底部构造结构、中部构造结构以及上部构造结构。当建筑整体结构因外界因素而引发震动时，所产生的震动能量会由地基经过下部结构传输至隔震层，在隔震层时部分震动能量会被其中所设置的隔震设备吸收、消解，剩余小142024 年 2 月第 3 卷第 3 期现 代 工 程 科 技14部分震动能量会传输至上层结构中，通过此种方式大幅削弱外界所传递至建筑上层结构的能量，不仅有效减少了地震对建筑结构尤其是高层建筑所产生的危害，同时也在一定程度上增强了建筑结构的整体稳定性与安全性，确保建筑结构能够有效应对包括地震在内的各类外界震动情况。表1为减震技术与隔震技术相关性能。1.2 减震技术减震技术原理是根据建筑层高、建筑规模等条件，在建筑物的特定部位安装合适的建筑构件并起到耗能效果，从而实现消能减震。当建筑整体遇到震动时，建筑结构内所储存的动能会转移到建筑内的耗能设备中，通过耗能设备的弹塑性滞回变形、扭转、碰撞、晃动等方式充分吸收、消耗建筑结构内因震动而存储的能量，以此降低建筑主体构件所承担的震动压力，有效避免建筑内其他构件因承载的能量较大而出现损伤甚至是坍塌的情况，最终达到减震效果。表 1 隔震技术与减震技术的相关性能类型抗震效果工期情况适用范围施工难度隔震设计实际抗震效果优异，在理论抗震效果中可有效阻隔70 80的地震能量；常用于高层建筑中，且在高层建筑中的抗震效果可达 45 60。隔震设计在实际应用期间能够起到降低约 1 度输入地震的效果。隔震设计的主要位置在于建筑结构整体，需要在建筑工程开展前做好相应的隔震设计并选用合适的隔震设计材料，因此实际施工周期长。基于隔震设计的特点，其适用范围存在一定程度的局限，需要根据建筑物的高度、宽度比合理选择。现阶段世界上最高的隔震建筑在 175m左右。施工难度高减震设计实际抗震效果一般；在小型、轻型地震中的抗震效果为 20 25；大型地震中的抗结构层间位移效果约 35。具体原因，并未有效阻隔地震，仍存在80 100的地震能量进入建筑结构内。减震设计的主要位置位于建筑内部，其本质上属于内置设备，因此能够在一定程度上突破建筑规模、建筑结构特点的局限，具有施工周期短且施工难度低的特点。基于减震设计的内部设备性质特点，其具有较高的普适性，几乎没有适用限制。目前常用于钢筋混凝土结构、建筑桥梁、木制结构、钢制结构、构筑物等环境中。施工难度低2 建筑结构设计中的隔震减震措施2.1 合理选择建筑位置国家对抗震设计有明确规定，减震、隔震、抗震设计均需严格按照国家相关标准与制度进行。为进一步提高建筑结构设计中的隔震减震设计的有效性、长效性以及合理性，需要建设方、施工方在建筑工程规划与设计初期，对当前建筑所在地理位置进行综合分析，针对所有可能出现的自然灾害，包括但不限于台风、地震等，均需要结合实际情况进行相应等级的抗震评估，如以当地所出现的最高等级地震或台风为参考，分析建筑结构设计中的隔震减震措施的有效性、最高等级自然灾害对建筑结构的影响、主体支撑结构是否存在损坏或塌陷以及随着时间维度的增长，建筑结构的隔震减震措施是否存在失效或功能性降低的情况等，根据最终分析结果对建筑结构设计中的隔震减震措施进行二次优化与调整，从而确保建筑工程的抗震性能可以在规定的建筑物适用年限内发挥正常、稳定的隔震减震效果。建设方与施工方在选定施工地点时，应当结合实际情况，最大限度地避免在临近地震断层带、地质松软等地段进行施工。同时，在建筑工程正式开展前，应当邀请专业的水文、地质条件勘察机构对施工现场的环境情况进行分析与探究，并形成全面的评价记录，确保评价记录内容的完整性、真实性、可靠性。为进一步降低台风、地震等自然灾害对当地居民生活质量、国民经济发展所产生的不良影响，尽可能提高群众的居住、生活、工作安全性，应当避免将建筑物地点选在地震多发区。目前建筑工程中较为常用的建筑结构方式主要有钢筋混凝土、砖混结构等，因此施工单位需要结合实际情况，依照建筑结构特点与结构类型选择合适、合理、科学的施工技术，以此有效提高建筑工程整体质量与稳定性。钢筋混凝土结构在建筑工程中具有较强的普适性、牢固性优势，其承载性能强、不易变形，因此钢筋混凝土结构也被广泛用于建筑工程的隔震减震设计中。2.2 隔震支座布置加固措施由于建筑工程的选址具有较强的客观性与不可更改性，如城市中良好地段均已存在建筑物，在城市化不断推进的背景下便存在部分建筑工程需要建设在多地震灾害的地段或区域附近，在此种不可抗力条件下，需要结合实际情况合理运用隔震减震措施切实提升建筑结构的整体稳定性与安全性，从而达成推动城市经济发展、保障人民财产安全的双重目标。在多遇地震、台风等自然灾害的情况下，需要严格按照相关标准与规范对建筑结构设计推行危害等级降1度的设计，建设方、施工方应当严格遵守以下准则：施工单位需要遵循“处于相同隔震层的所有隔震支座之间所接受的压应力应当保持均衡，在乙类建筑工程中，其实际的最大重力负荷代表值下的应压力需要保持在12MPa以内”；在严重自然灾害情况下，隔震支座不允许产生拉伸现象，若存在个别隔震支座产生拉应力时，需要结合实际情况对隔震支座的实际荷载拉应力进行重新计算并持续调整隔震15蒋昌辉，关 超：建筑结构设计中的隔震减震措施研究建造科技支座位置、类型、材料等，确保其实际承受的拉应力始终小于1.0MPa，以此有效避免隔震支座因拉应力过大而出现损坏、位移等情况；在重大抗震背景下，需要避免隔震支座的水平位移超出某限度，“某限度”的衡量标准如下，选取隔震支座合理孔径的0.55倍和橡胶层总厚度的3倍，将“某限度”设定为两者相对较小的值；必须严格保证支墩中央与隔震支座形心相对应，若存在偏差或误差，则需要结合实际情况进行重新计算与调整，直至符合上述要求。2.3 减震措施目前，在建筑结构设计中的减震措施主要有以下三种，分别是消能减震装置、屈曲约束支撑体系以及跷动震动控制。2.3.1 消能减震装置对于消能减震装置减震措施而言，其本质是在建筑结构内特定位置安装消能构件或装置，通过消能装置实现大幅吸收、消解建筑结构因地震、台风等相关外界因素而吸纳的能量，从而有效减少建筑结构内的残留能量，实现减震效果1。目前，较为常用的消能减震设备主要分为两种类型，分别是位移型和速度型。位移型的消能减震设备包括金属消能设备、摩擦消能设备等，其主要利用消能设备自身材质的塑性滞回变形而实现能量消解，该类型的消能性能主要与消能减震设备两端的相对位移有关，即相对位移越大，其消能性能越强；速度型的消能减震设备主要包括黏弹性消能设备、黏滞性消能设备等，此类型的消能减震设备主要以速度为媒介，通过其自身的黏性达到吸收、分解外界的震动能量，从而提高建筑结构的整体稳定性，速度型的消能减震设备的性能主要取决于消能设备两端的相对速度，速度越大，其消能性能越高。从宏观角度分析，消能减震技术主要有以下几点特性：在建筑结构中，消能减震装置属于非承重结构，其仅在建筑结构出现形变、位移、晃动等相关情况下发挥耗能、吸能作用。通常情况下消能减震装置不会承担建筑结构内的竖向荷载力，因此消能减震装置不会对建筑主体结构的竖向受力情况产生影响与改变。换言之，消能减震装置不会受建筑结构高度、层数、形状、类型等影响，具有较为宽松的使用标准；基于消能减震装置所设计的减震措施具有十分显著的减震效果，且减震机理明确，减震技术成熟，在实际施工过程中具有受外界因素影响小、对建筑既有结构的影响小、施工周期短、施工便捷性强等优势，可以直接安装至存在减震需求的建筑结构中2；对于建筑工程来说，抗震设防烈度越大、形变程度越大、柔度与跨度越高、结构越高的建筑工程应用消能减震装置的减震效果越好，因此消能减震装置适用于高烈度区的建筑结构中。若建筑物的自身结构刚度高且在外界能量的影响下所产生的位移量较少，则可以结合实际情况选择速度型消能减震设备。若建筑结构对附加刚度存在明显需求且需求量较高时，则可以选用位移型消能减震设备3。此外，在实际建筑工程中，根据具体需求在必要时可以选择两种或两种以上类型的消能设备，同时也可以与隔震技术融合应用，从而进一步提高建筑结构的抗震性能与稳定性。2.3.2 屈曲约束支撑体系在现阶段建筑结构设计减震体系中，屈曲约束支撑体系是十分关键的组成部分。屈曲约束支撑体系在抗震过程中应当结合实际情况，将内核钢支撑与外包钢管进行隔离分析，选用无黏结模式应用于钢管混凝土与内核钢支撑之间，同时将内核钢支撑模式应用于两端的支撑处，通过综合使用两种模式能够有效加强高强度螺栓与建筑框架结构之间的结合效果，从而大幅提升内核钢支撑结构的荷载4。此外，为进一步提升屈曲约束支撑体系中内核钢支撑的荷载，还可以结合实际情况对滑移截面的材料类型、规格进行优化，提高设计的科学性与合理性，确保内核钢与外包层可以实现相对性滑动位移，同时减少位移过程中内核钢的形变程度与形变概率。2.3.3 跷动震动控制从本质上来看，跷动震动控制减震方式属于一种基底型的隔震技术，跷动震动控制装置在实际应用期间允许其下部基础结构与上部结构进行脱离，当震动能量抵达建筑结构时，跷动震动控制便可以通过晃动其上部结构而实现减震、隔震效果5。与其他减震技术相比，跷动震动控制减震措施属于放松转动约束而非水平约束。3 建筑隔震减震施工及效果案例分析在建筑结构设计中，工作人员在确定隔震减震施工方案时，应参照建筑的抗震设防分类、场地条件、抗震设防烈度以及使用功能等要求，围绕工程质量安全与经济效益两个方面进行方案的最终拟定。下面以新疆维吾尔自治区喀什市深喀大道南侧的喀什农商银行总部高层162024 年 2 月第 3 卷第 3 期现 代 工 程 科 技16建筑为例进行说明。喀什农商银行总部高层建筑总面积约为34481m2，由高层主塔楼和裙房构成，其中，主塔楼为混凝土框架混凝土核心筒基础隔震结构，裙房为混凝土框架结构。该建筑工程抗震设防烈度为8度（基本地震加速为0.3g），地震作用较大，抗震需求高。为充分保障工程质量安全与抗震性能达标，在高层主塔楼和裙房之间设置了抗震缝，建筑抗震缝设置如图1所示。图1 建筑抗震缝设置示意图在建筑结构设计中，共布置了23个铅芯橡胶支座、11个天然橡胶支座、16个黏滞阻尼器。采用了优化上部结构布置、完善隔震支座受拉情况、扩大单个支座承担荷载范围以及设置黏滞阻尼器等抗震隔震技术，用以减少地震作用。此外，隔震层的布置上，刚度较大的铅芯橡胶支座主要布置在建筑物外框周边，刚度较小的天然橡胶支座则围绕混凝土核心筒布置，黏滞阻尼器布置也布置在建筑物外框周边，用以防止隔震层结构变形。黏滞阻尼器布置如图2所示。图2 黏滞阻尼器布置示意图经软件测算后显示，隔震减震技术设计及应用后，建筑工程上部结构自振周期为4.51s，相比于原先的1.83s有明显改善，同时，在设防地震的作用下，建筑工程上部结构的最大减震系数为0.35，地震作用明显减少，具有良好的抗震性能。4 结语综上所述，建筑结构设计期间需要重点考量隔震减震技术设计及应用，确保建筑工程隔震减震性能符合建设规范要求。同时，还需要根据实际现场施工情况，对相关设计进行调整与优化，保证建筑结构整体的稳固性与安全性，并确保建筑结构能够做到小震不坏、大震不倒，进而有效保障广大人民群众的人身及财产安全，促进建筑行业经济高速发展，转型高质量建设。参考文献1 王鑫.隔震减震控制技术在复杂高层建筑结构设计中的应用J.四川水泥,2023(9):128-130.2 陆好雨.隔震控制技术在建筑结构设计中的应用J.中国建筑金属结构,2023,22(8):92-94.3 许宏.建筑结构设计中的隔震减震措施J.江苏建材,2023(4):82-83.4 徐凯.建筑结构设计隔震减震技术探讨J.砖瓦,2023(8):55-57.5 杨茜.建筑结构隔震与减震设计问题分析与措施探讨J.大众标准化,2023(11):85-87.