建筑結(jié)構(gòu)論文

1、South Ch i na Agricultural University課程名稱(chēng)：建筑結(jié)構(gòu)概論任課教師:黃俐建筑結(jié)構(gòu)中隔震減震加固技術(shù)的應(yīng)用一在5.12特大地震后的應(yīng)用姓名土嘉榮學(xué)號(hào)201330843021班級(jí)13級(jí)房產(chǎn)4班專(zhuān)業(yè)土管系房地產(chǎn)專(zhuān)業(yè)論文提交時(shí)間：2016年7月1日摘 要隨著近些年來(lái)地震災(zāi)害的多發(fā)，造成了巨大的人民生命財(cái)產(chǎn)損失人們對(duì)于建 筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震的設(shè)計(jì)，隔震減震措施越來(lái)越重視。本文就結(jié)合當(dāng)前的地震 災(zāi)害的情況，論述建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的隔震減震措施， 以及災(zāi)后減震加固技術(shù)的應(yīng) 用。關(guān)鍵詞 隔震 消能減震 5.125.12 特大地震1.引言在過(guò)去近十年里，四川汶川地震、宵海玉樹(shù)地

2、震以及世界各地接連不斷的地 震都給社會(huì)造成了巨大的損失，為此在建筑結(jié)構(gòu)中是否充分考慮抗震問(wèn)題， 是否 合理運(yùn)用了相關(guān)的減震隔震加固技術(shù)對(duì)災(zāi)后房屋加固也成為事關(guān)人民生命財(cái)產(chǎn) 安全和國(guó)家安全的重要問(wèn)題。建筑結(jié)構(gòu)中的抗震設(shè)計(jì)尤為重要。隔震和消能減震 是建筑結(jié)構(gòu)減輕地震受損的有效技術(shù)。 乂為了適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，有條件 的在隔震和消能減震加固技術(shù)方面加大投入力度，盡快得到一個(gè)能有效降低地震 損失的抗震體系，保障人民人身和財(cái)產(chǎn)安全。本文以 5.125.12 地震作為一個(gè)切入點(diǎn)，以 5.125.12 特大地震后國(guó)家采取的消能減震加 固技術(shù)作為實(shí)例，來(lái)探討消能減震加固技術(shù)在未來(lái)建筑結(jié)構(gòu)中隔震減震設(shè)計(jì)的運(yùn)

3、 用。2.消能減震體系和隔震體系概述一般建筑減震是通過(guò)巧妙應(yīng)用建筑的阻尼與地震能量之間的關(guān)系來(lái)實(shí)施 的。建筑的阻尼的增加能夠?qū)Φ卣鹉芰科鸬捷^大的消耗作用，減震措施止是通過(guò)增加建筑的阻尼來(lái)實(shí)現(xiàn)消耗地震能量的目的， 使建筑的主體結(jié)構(gòu)受到地震的破壞 得到避免和減輕。關(guān)于對(duì)消能部件個(gè)數(shù)的設(shè)置、 具體位置設(shè)置等布置問(wèn)題，一般 需要經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析和計(jì)算。通常在結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向設(shè)置消能構(gòu)件， 能夠達(dá)到 附加兩個(gè)方向的阻尼及剛度的目的。少數(shù)情況在結(jié)構(gòu)變形較大的位置設(shè)置消能結(jié) 構(gòu)，使整個(gè)建筑的阻尼得到均衡，使地震能量被分散，從而提高整個(gè)建筑物抗震 性能，達(dá)到保證建筑物安全的目的。2.1.2.1.消能減震體系消能

4、減震設(shè)計(jì)指在房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)置特別的機(jī)構(gòu)或效能元件，通過(guò)其局部變形提供附加阻尼，以消耗輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量， 以確保主體結(jié)構(gòu)的安全，進(jìn)而 使主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件在罕見(jiàn)地震中不發(fā)生嚴(yán)重破壞。消能減震的目的是提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，使建筑在大震下破壞較輕，震后能很快恢復(fù)正常使用，遭遇強(qiáng)震時(shí)建筑 不倒塌。從能量守包的角度，消能減震的基本原理可以闡述如下，及結(jié)構(gòu)在地震 中任意時(shí)刻的能量方程：1消能減震方程：EinEin = = ErEr EdEd EsEs EaEa式中：EinEin 一地震過(guò)程中輸入結(jié)構(gòu)體系的地震能量；ErEr結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)的能量，即結(jié)構(gòu)體系震動(dòng)的動(dòng)能和勢(shì)能； EdEd結(jié)構(gòu)體系自身阻尼消耗的能量

5、（一般不超過(guò) 5%5%）; ;EsEs主體結(jié)構(gòu)或承重構(gòu)件的非彈性變形（或損壞）所消耗的能量； EaEa 一消能（阻尼）裝置或耗能元件耗散或吸收的能量。消能減震結(jié)構(gòu)中附加的消能減震原件或裝置一般統(tǒng)稱(chēng)為消能器。 根據(jù)消能器 耗能機(jī)理的不同，可分為位移相關(guān)型消能器、速度相關(guān)型消能器和其他消能器； 位移相關(guān)型消能器通常用塑性變形性能好的材料制成，在地震往復(fù)作用下通過(guò)其 良好的塑性滯回消能能力來(lái)耗散地震能量，消能器耗散的地震能量與消能器變形 量相關(guān)；速度相關(guān)型消能器通常由粘滯或粘彈性材料制成，在地震往復(fù)作用下利用粘滯和粘彈性材料的特性來(lái)耗散地震能量，消能器耗散的地震能量與消能器變 形的速度相關(guān)。以下為圖

6、 1 1 常見(jiàn)消能器類(lèi)型：2防/S曲支撐金屬穹曲消能器位移相關(guān)型消能器- 軟倒四切消能器船消能器L癢擦型消能器粘滯消能器速度相關(guān)型消能爵-L粘彈性消能器圖 i常見(jiàn)消能器類(lèi)型m占松鼠用器圖幡滯阻里融囹敬搏變國(guó)呢霸隔震體系隔震體系可分為基礎(chǔ)隔震體系和層間隔震體系?；A(chǔ)隔震體系是指在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震支座以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期、 減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)形成的結(jié)構(gòu)體系，它包括三部分：上部結(jié)構(gòu)、隔震支座、基礎(chǔ)。以下為常見(jiàn)的隔震支座：圖 2 2 隔震支座主要類(lèi)型建筑物的結(jié)構(gòu)周期和阻尼比與地震作用有緊密影響。 對(duì)丁普通中低層建筑物 剛度大，周期短，其結(jié)構(gòu)周期正處丁地震輸入能力最大頻段上， 相應(yīng)的地震加速 度

7、比地面運(yùn)動(dòng)要放大得多，但是如果增大建筑結(jié)構(gòu)的周期，并加大結(jié)構(gòu)的阻尼比， 建筑結(jié)構(gòu)上的地震加速度反應(yīng)將會(huì)大大減弱， 位移反應(yīng)也會(huì)明顯降低， 起到很好 的隔震效果。雖然基礎(chǔ)隔震可以有效減小地震作用，但其使用也受到一定的限制：首先，因?yàn)楦粽饘訒?huì)產(chǎn)生很大水平位移，所以結(jié)構(gòu)與地面之間需預(yù)留很寬的 縫以避免結(jié)構(gòu)與地面的碰撞；其次，隔震層設(shè)置丁基礎(chǔ)之上，在一些近海工程中， 基礎(chǔ)部分受海水沖刷影響嚴(yán)重，隔震支座易老化或失效，需要時(shí)常檢查和維護(hù)； 另外，在一些舊房改造或加層工程中，基礎(chǔ)隔震無(wú)法應(yīng)用。所謂層間隔震體系即將隔震層位置上移，不再局限丁基礎(chǔ)位置，而是隔震層 位丁樓層與樓層之間，經(jīng)國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程證明，層間

8、隔震體系可有效地延長(zhǎng)結(jié)構(gòu) 周期，減小上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。3.建筑結(jié)構(gòu)中消能減震主要措施3.1.3.1.新建建筑物的消能減震設(shè)置加入消能減震措施可用在新建結(jié)構(gòu)的減震，對(duì)建筑物的基礎(chǔ)部分采用特殊處理， 借助消能減震設(shè)置或元件來(lái)削弱地震對(duì)建筑物的作用，保護(hù)建筑物主體結(jié)構(gòu)，保 護(hù)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。在對(duì)建筑物進(jìn)行建筑隔震設(shè)計(jì)時(shí)，把消能減震設(shè)置考 慮到建筑物安全設(shè)置中。我們?cè)诮ㄖ餂](méi)有動(dòng)工以前必須按照隔震設(shè)計(jì)的措施完 成相應(yīng)的工作，最遲也需要在建筑物施工過(guò)程中，在建筑物的關(guān)鍵部位設(shè)置特殊 的減震裝置。在進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)建筑物的重要性標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)防烈度、場(chǎng) 地條件等因素，結(jié)合罕見(jiàn)地震作用下預(yù)期

9、結(jié)構(gòu)位移控制要求， 確定結(jié)構(gòu)的減震要 求，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷面尺寸。根據(jù)對(duì)相關(guān)因素的總結(jié)分析，選擇消能器及類(lèi)型， 確定消能器的數(shù)量和分布，采用合適的分析方法（ 基于性能的抗震設(shè)計(jì)流程圖）來(lái) 進(jìn)行消能減震抗震設(shè)計(jì)。鬲定結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)圖 3 基于性能的抗震設(shè)計(jì)流程圖3.2.3.2.建筑物建成后消能減震裝置補(bǔ)充在建筑物建成后，需要采用增加阻尼的辦法，在建筑物的結(jié)構(gòu)上重新添加消 能減震裝置。從使用的部分來(lái)說(shuō)也是很廣泛的，它不僅可以應(yīng)用于建筑物的上部 結(jié)構(gòu)，也可用于建筑物的隔震夾層。消能器在結(jié)構(gòu)中布置中通常是沿結(jié)構(gòu)各層布 置最優(yōu)，其次是進(jìn)行隔層布置，然后是結(jié)構(gòu)底部多層布置，最后是中部多層布置， 減震效果相

10、對(duì)最不好的結(jié)構(gòu)上部多層設(shè)置消能器，建筑上層的消能器無(wú)法真正實(shí) 現(xiàn)吸收地震能量的作用，消減器還在一定程度上增加了建筑的負(fù)重。消能器與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行的可靠連接，是保證消能器充分發(fā)揮作用的前提。所 以在建筑建成后，要增加建筑的消能減震效果，可直接將消能器加固在建筑物中。 采用消能減震技術(shù)進(jìn)行抗震加固時(shí)，消能器及其支撐構(gòu)件和連接件可預(yù)先制作， 現(xiàn)場(chǎng)安裝，不僅施工方便，施工時(shí)間短，而且不改變?cè)ㄖ拿婷?，可以很好?應(yīng)用在首腦機(jī)關(guān)，救災(zāi)中心，防止貴重設(shè)備或特殊文物的房屋（紀(jì)念性建筑、特 種億元、通訊、消防、動(dòng)力等重要建筑）。4.建筑結(jié)構(gòu)中隔震主要措施4.1.4.1. 基礎(chǔ)隔震措施基礎(chǔ)隔震是在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)

11、之間設(shè)置隔震裝置，減小地震動(dòng)往上部結(jié)構(gòu)傳 遞，降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。該種隔震方法適用于體形規(guī)則的低層或多層建筑 結(jié)構(gòu)，用于高層建筑結(jié)構(gòu)的效果較差（隔震結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的自振周期） 基礎(chǔ)隔 震包括粘彈性隔震、滾軸（珠）滑移隔震、摩擦擺隔震、摩擦滑移隔震等多種形 式，隔震裝置有夾層橡膠墊隔震裝置基底滑移隔震裝置、混合隔震裝置等等3?；A(chǔ)隔震技術(shù)已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用也相對(duì)廣泛，對(duì)自震周期較短的房屋抗震 效果明顯，但自震周期較長(zhǎng)的房屋對(duì)上部結(jié)構(gòu)和隔震支座的要求較高，因?yàn)檩^長(zhǎng)的周期性水平振動(dòng)存在共振的危險(xiǎn)。在上述提到的隔震裝置中，橡膠支座的性能 指標(biāo)需要提高，從而充分發(fā)揮橡膠支座的水平和豎向抗震能力， 并

12、開(kāi)發(fā)科學(xué)智能 隔震系統(tǒng)， 對(duì)地震有自我對(duì)抗能力。 可以考慮在主體結(jié)構(gòu)的中間層和結(jié)構(gòu)頂層加 裝隔震裝置，同時(shí)起到加層和抗震加固作用。4.2.4.2. 層間隔震措施層間隔震的初衷是在原結(jié)構(gòu)上安裝耗能減震裝置， 該裝置由質(zhì)量和隔震支座 組成，地震來(lái)臨時(shí)，裝置隔震和質(zhì)量減震共同協(xié)作用于吸收地震能量，消弱地震損害，使地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響降低。實(shí)際上，抗震技術(shù)結(jié)合隔震技術(shù)即為層問(wèn) 隔震。但是層間隔震的減震效果比基礎(chǔ)隔震技術(shù)的減震效果差，低20%20%左右。所以這種方法主要適用于舊房改建， 在施工方面具有簡(jiǎn)單、易操作的特點(diǎn)。與建筑 物基礎(chǔ)部分設(shè)置隔震裝置的辦法相比， 層間隔震的效果不是非常明顯，減震的效 果

13、可以達(dá)到 1/10-1/10- 3 3 /10/10 的范圍。雖然層間隔震的效果比不上基礎(chǔ)隔震，但它靈活 運(yùn)用結(jié)構(gòu)的加層或原結(jié)構(gòu)的隔熱層，做適當(dāng)?shù)母慕ǘ_(dá)到減震的目的，簡(jiǎn)單易行， 隔震裝置采用橡膠支座3。在上海，已有四幢郵電通訊房應(yīng)用了層間隔震的方法進(jìn)行抗震加固，另有十幾幢住宅正在應(yīng)用這一技術(shù)增層，建造商采用橡膠支座作為層間隔離的常用支 座，有些利用隔熱層減震，并將隔熱層作為結(jié)構(gòu)抗震的第二道防線， 這樣建造商 可以在增加少量投資的同時(shí)，很大程度上提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力。4.3.4.3. 懸:掛隔震措施懸掛隔震是將結(jié)構(gòu)的全部或大部分質(zhì)量懸掛起來(lái)，使地面運(yùn)動(dòng)傳遞不到主體 質(zhì)量，產(chǎn)生不了慣性力，從而起

14、到隔震作用。當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，地震的能量不會(huì)傳 遞給懸掛起來(lái)的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到減小地震損害的目的這種隔震方式最常見(jiàn)于大型 鋼結(jié)構(gòu)，大型鋼結(jié)構(gòu)總是采用鋼結(jié)構(gòu)懸掛體系，以此隔震5。此體系可以有數(shù)地 隔離主框架和子結(jié)構(gòu)，減少地震作用的傳遞，控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)地震的能量到 達(dá)這個(gè)部位的時(shí)候就會(huì)削弱，不至于傳遞到子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生慣性力。由于懸掛結(jié)構(gòu)懸桿受力大，需要采用高強(qiáng)鋼作為懸桿結(jié)構(gòu)的材料。但是高強(qiáng) 鋼韌性較差，在豎向地震作用下易拉斷，為減少豎向地震作用，可在吊點(diǎn)設(shè)置減 震彈簧,并配合使用阻尼器形成一套完善的隔震系統(tǒng)。這種隔震方式主要見(jiàn)于橋梁，房屋建筑，火電廠鍋爐架等一些特殊建筑的隔震應(yīng)用當(dāng)中，例如著名的4343

15、層香港匯豐銀行新大樓便是采用了懸掛結(jié)構(gòu)。4.4.4.4. 選擇特殊隔震地基材料對(duì)于不同的建筑物所采用的地基材料不同， 這也是地震波的反應(yīng)區(qū)別的原因 之一。采用特殊材料對(duì)建筑物地基進(jìn)行特殊處理，以此來(lái)削弱地震波的能量，從而弱化建筑物在地震中的震感。在傳統(tǒng)的建筑物中，通常采用粘土和砂子進(jìn)行基 礎(chǔ)部分墊層，然后也有人使用糯米墊層研究抗震， 長(zhǎng)期的發(fā)明研究與試驗(yàn)表明采 用以瀝宵為原料的新型材料進(jìn)行隔震層設(shè)置具有優(yōu)良的隔震效果。國(guó)內(nèi)有學(xué)者研究采用纖維增強(qiáng)工程塑料板和橡膠按一定處理方法得到新型 的隔震地基材料4,地基填充材料通過(guò)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后能承受較大的地震力作用， 但 由丁其是基丁 “硬抗”的抗震機(jī)制，最終

16、仍會(huì)在大地震作用下發(fā)生嚴(yán)重破壞。不 過(guò)由丁該結(jié)構(gòu)模型的使用使得上部結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震下始終處丁彈性狀態(tài)，即使在罕遇地震中也能達(dá)到“不壞”的結(jié)構(gòu)性能水平。基丁這種新型簡(jiǎn)易隔震支座 提出了適合低矮村鎮(zhèn)建筑的隔震鏈接構(gòu)造措施，并應(yīng)用丁該工程。通過(guò)將各鎮(zhèn)曾整體抬高至室外地平面上，直接簡(jiǎn)化了各震層的施工構(gòu)造，農(nóng)村普通施工隊(duì)也可 以施工，從而改善了村鎮(zhèn)房屋陰暗潮濕的環(huán)境，避免了蟲(chóng)鼠聚集丁隔震溝中。5.消能減震加固技術(shù)和隔震技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例5.1.5.1. 5.125.12 四川“汶川”大地震后首個(gè)消能減震加固工程（采用粘滯阻尼器）都江堰市北街小學(xué)試驗(yàn)外國(guó)語(yǔ)學(xué)校藝術(shù)大樓，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架層數(shù)為

17、5 5 層，總高度 1818 m m。按照 7 7 度抗震設(shè)防，但在 5.125.12 特大地震中，原結(jié)構(gòu) 仍遭到了嚴(yán)重破壞。1 1 層柱柱頂受損，1 1、2 2 層墻體出現(xiàn)裂縫，局部墻體出現(xiàn)破碎， 部分樓體構(gòu)件受損。震后經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)多數(shù)梁柱不滿足抗震要 求，若要進(jìn)行災(zāi)后修補(bǔ)，需要加大柱子界面，減少建筑的使用面積。最后通過(guò)倫 鎮(zhèn)，提出了采用消能減震加固技術(shù)對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固的方案。首先加固受損柱頂，對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土鑿面，剔除損壞部位破損的混凝土，并用吹風(fēng)機(jī)吹凈混 凝土表面粉塵，然后采用比原結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)高一級(jí)的C35C35 混凝土修補(bǔ)料對(duì)混凝土破壞的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修補(bǔ)找平, 再

18、對(duì)節(jié)點(diǎn)采用外包鋼法對(duì)節(jié)點(diǎn)做加固處理（圖 4 4、圖 5 5）。最后，用錨栓將鋼板固定在柱子上。6圖 4 節(jié)點(diǎn)包鋼注膠加固該加固工程使用的消能裝置是采用了上海材料研究所研制開(kāi)發(fā)的粘滯阻尼 器（圖6 6）。這種粘滯性阻尼器是消能減震控制技術(shù)中的一種消能裝置，主要被 安裝丁結(jié)構(gòu)某部位（如節(jié)點(diǎn)、連接縫或連接件、樓層空間等）。在小震作用下， 阻尼器處丁彈性狀態(tài)，給結(jié)構(gòu)提供剛度，結(jié)構(gòu)體系具有足夠的抗側(cè)剛度。這 5 5 層樓加固工程共用了 2020 個(gè)粘滯阻尼器，并根據(jù)消能器的布置原則和振型 分解反應(yīng)譜法計(jì)算的樓層位移角確定消能器的布置地點(diǎn)。該學(xué)校使用粘滯阻尼器 來(lái)消能減震加固震后受損房屋，是我國(guó)內(nèi)首次。本

19、次加固不會(huì)壓縮房屋使用面積，拆除量小，施工干擾性小且周期短，基本上終身不需要維護(hù)。安裝阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)，將有效減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)減少大部 分的震動(dòng)，確保結(jié)構(gòu)主體不會(huì)遭受到嚴(yán)重破壞而發(fā)生破壞倒塌。在將安全度提高 一度的情況卜， 主體結(jié)構(gòu)的截而尺寸也不用增加， 結(jié)構(gòu)體系的安全度仍能滿足現(xiàn) 行規(guī)范的要求，可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，可降低造價(jià) 10%10%20%,20%,在相同的結(jié) 構(gòu)體系下，安裝粘滯阻尼器可大大提高結(jié)構(gòu)的可靠度。圖 5 節(jié)點(diǎn)加固施工磐甄軍-E占球摭仙浴灰好活* 限尼全腐右球枝建圖 6 粘滯阻尼器構(gòu)造示意圖6.結(jié)語(yǔ)隨著我國(guó)隔震、減震和振動(dòng)控制技術(shù)的不斷提高，建筑結(jié)構(gòu)的柔性抗震能力 越來(lái)越強(qiáng)，建筑結(jié)構(gòu)在地震作用后受到的影響越來(lái)越小， 滿足了建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量要 求