建筑結(jié)構(gòu)論文

1、課 程 名 稱任課教師：黃俐建 筑 結(jié) 構(gòu) 概 論建筑結(jié)構(gòu)中隔震減震加固技術(shù)的應用在5.12特大地震后的應用姓名王嘉榮學號班級13級房產(chǎn)4班專業(yè)土管系房地產(chǎn)專業(yè)論文提交時間：2016年7月1日摘 要隨著近些年來地震災害的多發(fā)，造成了巨大的人民生命財產(chǎn)損失人們對于建筑結(jié) 構(gòu)設(shè)計中的抗震的設(shè)計，隔震減震措施越來越重視。本文就結(jié)合當前的地震災害的情 況，論述建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的隔震減震措施，以及災后減震加固技術(shù)的應用。關(guān)鍵詞 隔震 消能減震 5.12特大地震1. 引言在過去近十年里，四川汶川地震、青海玉樹地震以及世界各地接連不斷的地震都 給社會造成了巨大的損失，為此在建筑結(jié)構(gòu)中是否充分考慮抗震問題，是否

2、合理運用 了相關(guān)的減震隔震加固技術(shù)對災后房屋加固也成為事關(guān)人民生命財產(chǎn)安全和國家安全 的重要問題。建筑結(jié)構(gòu)中的抗震設(shè)計尤為重要。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)。又為了適應我國經(jīng)濟發(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，盡快得到一個能有效降低地震損失的抗震體系，保障人民人 身和財產(chǎn)安全。本文以5.12地震作為一個切入點，以5.12特大地震后國家采取的消能減震加固技術(shù) 作為實例，來探討消能減震加固技術(shù)在未來建筑結(jié)構(gòu)中隔震減震設(shè)計的運用。2. 消能減震體系和隔震體系概述一般建筑減震是通過巧妙應用建筑的阻尼與地震能量之間的關(guān)系來實施的。建 筑的阻尼的增加能夠?qū)?/p>

3、地震能量起到較大的消耗作用，減震措施止是通過增加建筑的 阻尼來實現(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)于對消能部件個數(shù)的設(shè)置、具體位置設(shè)置等布置問題，一般需要經(jīng)過仔細分析和計 算。通常在結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向設(shè)置消能構(gòu)件，能夠達到附加兩個方向的阻尼及剛度 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)，使整個建筑的阻尼得到均衡， 使地震能量被分散，從而提高整個建筑物抗震性能，達到保證建筑物安全的目的。2.1. 消能減震體系消能減震設(shè)計指在房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)置特別的機構(gòu)或效能元件，通過其局部變形提供 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，進而使

4、主體結(jié) 構(gòu)構(gòu)件在罕見地震中不發(fā)生嚴重破壞。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，震后能很快恢復正常使用，遭遇強震時建筑不倒塌。從能量守 恒的角度，消能減震的基本原理可以闡述如下，及結(jié)構(gòu)在地震中任意時刻的能量方程： 1消能減震方程： Ein Er Ed Es Ea式中：Ein地震過程中輸入結(jié)構(gòu)體系的地震能量；Er結(jié)構(gòu)體系地震反應的能量，即結(jié)構(gòu)體系震動的動能和勢能；Ed結(jié)構(gòu)體系自身阻尼消耗的能量（一般不超過 5%）;Es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；Ea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)稱為消能器

5、。根據(jù)消能器耗能 機理的不同，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，在地震往復作用下通過其良好的塑性滯 回消能能力來耗散地震能量，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，在地震往復作用下利用粘滯和粘彈性材料的特性來耗散地震能量，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 常見消能器類型： 2圖 1 常見消能器類型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)置隔震支座以延長結(jié)構(gòu)的自振周期、減小結(jié)構(gòu)地震響應形成的結(jié)構(gòu)體系， 它包括三

6、部分：上部結(jié)構(gòu)、隔震支座、基礎(chǔ)。以下為常見的隔震支座：圖 2 隔震支座主要類型建筑物的結(jié)構(gòu)周期和阻尼比與地震作用有緊密影響。對于普通中低層建筑物剛度 大，周期短，其結(jié)構(gòu)周期正處于地震輸入能力最大頻段上，相應的地震加速度比地面 運動要放大得多，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 的地震加速度反應將會大大減弱，位移反應也會明顯降低，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，因為隔震層會產(chǎn)生很大水平位移，所以結(jié)構(gòu)與地面之間需預留很寬的縫以 避免結(jié)構(gòu)與地面的碰撞；其次，隔震層設(shè)置于基礎(chǔ)之上，在一些近海工程中，基礎(chǔ)部 分受海水沖刷影響

7、嚴重，隔震支座易老化或失效，需要時常檢查和維護；另外，在一 些舊房改造或加層工程中，基礎(chǔ)隔震無法應用。所謂層間隔震體系即將隔震層位置上移，不再局限于基礎(chǔ)位置，而是隔震層位于 樓層與樓層之間，經(jīng)國內(nèi)外實際工程證明，層間隔震體系可有效地延長結(jié)構(gòu)周期，減 小上部結(jié)構(gòu)地震響應。3. 建筑結(jié)構(gòu)中消能減震主要措施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)置或元件來削弱地震對建筑物的作用，保護建筑物主體結(jié)構(gòu)，保護人們的 生命和財產(chǎn)安全。在對建筑物進行建筑隔震設(shè)計時，把消能減震設(shè)置考慮到建筑物安 全設(shè)置中。我們在建筑物沒有動工以前必

8、須按照隔震設(shè)計的措施完成相應的工作，最 遲也需要在建筑物施工過程中，在建筑物的關(guān)鍵部位設(shè)置特殊的減震裝置。在進行消能減震設(shè)計過程中，需要根據(jù)建筑物的重要性標準、設(shè)防烈度、場地條 件等因素，結(jié)合罕見地震作用下預期結(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)對相關(guān)因素的總結(jié)分析，選擇消能器及類型，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)計流程圖）來進行消能減震 抗震設(shè)計。圖 3 基于性能的抗震設(shè)計流程圖3.2. 建筑物建成后消能減震裝置補充在建筑物建成后，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。從使用的部分來說也是很廣泛的，它不僅可

9、以應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，減震效果相對最 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法真正實現(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重。消能器與主體結(jié)構(gòu)進行的可靠連接，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)進行抗震加固時，消能器及其支撐構(gòu)件和連接件可預先制作，現(xiàn)場安裝， 不僅施工方便，施工時間短，而且不改變原建筑的面貌，可以很好地應用在首腦機關(guān)，

10、 救災中心，防止貴重設(shè)備或特殊文物的房屋（紀念性建筑、特種億元、通訊、消防、 動力等重要建筑）。4. 建筑結(jié)構(gòu)中隔震主要措施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)之間設(shè)置隔震裝置，減小地震動往上部結(jié)構(gòu)傳遞， 降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應。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，應用也相對廣泛，對自震周期較短的房屋抗震效果 明顯，但自震周期較長的房

11、屋對上部結(jié)構(gòu)和隔震支座的要求較高，因為較長的周期性 水平振動存在共振的危險。在上述提到的隔震裝置中，橡膠支座的性能指標需要提高， 從而充分發(fā)揮橡膠支座的水平和豎向抗震能力，并開發(fā)科學智能隔震系統(tǒng)，對地震有 自我對抗能力?？梢钥紤]在主體結(jié)構(gòu)的中間層和結(jié)構(gòu)頂層加裝隔震裝置，同時起到加 層和抗震加固作用。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， 地震來臨時，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 震對建筑結(jié)構(gòu)的影響降低。實際上，抗震技術(shù)結(jié)合隔震技術(shù)即為層間隔震。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

12、%左右。所以這種方法主要適用 于舊房改建，在施工方面具有簡單、易操作的特點。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，減震的效果可以達到 1/10- 3 /10的范圍 雖然層間隔震的效果比不上基礎(chǔ)隔震，但它靈活運用結(jié)構(gòu)的加層或原結(jié)構(gòu)的隔熱層， 做適當?shù)母慕ǘ_到減震的目的，簡單易行，隔震裝置采用橡膠支座 3。在上海，已有四幢郵電通訊房應用了層間隔震的方法進行抗震加固，另有十幾幢 住宅正在應用這一技術(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，很大程度上提高了結(jié)構(gòu)的抗震

13、能力。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， 使地面運動傳遞不到主體質(zhì)量， 產(chǎn)生不了慣性力，從而起到隔震作用。當?shù)卣饋砼R時，地震的能量不會傳遞給懸掛起 來的結(jié)構(gòu)，從而達到減小地震損害的目的這種隔震方式最常見于大型鋼結(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)的地震反應地震的能量到達這個部位的時候就會削弱， 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，需要采用高強鋼作為懸桿結(jié)構(gòu)的材料。但是高強鋼韌 性較差，在豎向地震作用下易拉斷，為減少豎向地震作用，可在吊點設(shè)置減震彈簧， 并配合

14、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于橋梁，房屋建筑， 火電廠鍋爐架等一些特殊建筑的隔震應用當中，例如著名的 43層香港匯豐銀行新大樓 便是采用了懸掛結(jié)構(gòu)。4.4. 選擇特殊隔震地基材料對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區(qū)別的原因之一。 采用特殊材料對建筑物地基進行特殊處理，以此來削弱地震波的能量，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行基礎(chǔ)部分墊層，然 后也有人使用糯米墊層研究抗震，長期的發(fā)明研究與試驗表明采用以瀝青為原料的新 型材料進行隔震層設(shè)置具有優(yōu)良的隔震效果。國內(nèi)有學者研究采用纖維增強工程塑料板和橡膠按一定處理方

15、法得到新型的隔震 地基材料 4，地基填充材料通過結(jié)構(gòu)加強后能承受較大的地震力作用， 但由于其是基于 “硬抗”的抗震機制，最終仍會在大地震作用下發(fā)生嚴重破壞。不過由于該結(jié)構(gòu)模型 的使用使得上部結(jié)構(gòu)在不同強度地震下始終處于彈性狀態(tài)，即使在罕遇地震中也能達 到“不壞”的結(jié)構(gòu)性能水平。基于這種新型簡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，并應用于該工程。通過將各鎮(zhèn)曾整體抬高至室外地平面上，直接 簡化了各震層的施工構(gòu)造，農(nóng)村普通施工隊也可以施工，從而改善了村鎮(zhèn)房屋陰暗潮 濕的環(huán)境，避免了蟲鼠聚集于隔震溝中。5. 消能減震加固技術(shù)和隔震技術(shù)的應用實例5.1. 5.12四川“汶川”大地震后首個

16、消能減震加固工程（采用粘滯阻尼器） 都江堰市北街小學試驗外國語學校藝術(shù)大樓，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架 層數(shù)為5層，總高度18 m。按照7度抗震設(shè)防，但在5.12特大地震中，原結(jié)構(gòu)仍遭到了嚴 重破壞。 1層柱柱頂受損， 1、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)過結(jié)構(gòu)抗震驗算，發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)多數(shù)梁柱不滿足抗震要求，若要進行災后修 補，需要加大柱子界面，減少建筑的使用面積。最后通過倫鎮(zhèn)，提出了采用消能減震 加固技術(shù)對原結(jié)構(gòu)進行抗震加固的方案。首先加固受損柱頂，對節(jié)點區(qū)域混凝土鑿面， 剔除損壞部位破損的混凝土，并用吹風機吹凈混凝土表面粉塵，然后采用比原結(jié)構(gòu)混 凝土強度等級高

17、一級的C35混凝土修補料對混凝土破壞的節(jié)點進行修補找平，再對節(jié)點 采用外包鋼法對節(jié)點做加固處理（圖 4、圖 5）。最后，用錨栓將鋼板固定在柱子上。圖 4 節(jié)點包鋼注膠加固圖 5 節(jié)點加固施工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發(fā)的粘滯阻尼器（圖 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，主要被安裝于結(jié)構(gòu)某 部位（如節(jié)點、連接縫或連接件、樓層空間等）。在小震作用下，阻尼器處于彈性狀 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。圖 6 粘滯阻尼器構(gòu)造示意圖這5層樓加固工程共用了 20個粘滯阻尼器， 并根據(jù)消能器的布置原則和振型分解反 應譜法計算的樓層位移角確定消

18、能器的布置地點。該學校使用粘滯阻尼器來消能減震 加固震后受損房屋，是我國內(nèi)首次。本次加固不會壓縮房屋使用面積，拆除量小，施 工干擾性小且周期短，基本上終身不需要維護。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，使結(jié)構(gòu)減少大部分的 震動，確保結(jié)構(gòu)主體不會遭受到嚴重破壞而發(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)濟效益，可降低造價 10%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。6. 結(jié)語隨著我國隔震、減震和振動控制技術(shù)的不斷提高，建筑結(jié)構(gòu)的柔性抗震能力越來 越強，建筑結(jié)構(gòu)在地震作用后受到的影響越來越小，滿足了建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求，對保 障國家利益，保護人民生命財產(chǎn)安全也有重要作用。5.12特大地震造成四川再去大量房屋倒塌、損毀，其中城鎮(zhèn)住房2.26億m2,需要加固的超過 100萬戶。震后采用消能減震加固項目，實現(xiàn)了我國的第一次想能見針加固技 術(shù)的使用，從科學的理念、標準的施工、良好的使用效果等多個方面，再次用事實說 明了消能減震加固技術(shù)在震后建筑加固方面的優(yōu)越性，也說明未來消能減震加固技術(shù) 普及應用的必然性。國內(nèi)外消能減震技術(shù)在不斷發(fā)展，使用消能賈珍技術(shù)對災后受損 房屋盡心加固、避免或減輕建筑物的震害，是既經(jīng)濟又有效的手段之一。參考文獻1 賈