建筑结构设计隔震和消能减震策略

2022-04-16周陈凯

科技创新导报 2022年25期

周陈凯

（东南大学建筑设计研究院有限公司江苏南京 210000）

我国的经济发展快速，在其带动之下，人们生活的现代化水平也持续增长，人们平时的工作、学习及日常生活都和建筑物之间保持着紧密的关联。建筑为越来越多的人提供服务，并带来生活的便利，而现代社会对房屋建筑质量的要求也越来越高，必须要确保建筑物的质量与安全性。

1 建筑进行隔震和减震设计的必要性

建筑物的安全受到很多因素的影响，其中包括质量因素和不可抗力因素。质量因素主要是指建筑物的整体设计情况、施工过程中对质量的把控情况及后期养护的情况。不可抗力因素主要是指一些自然灾害，如地震、大风等。发生自然灾害时，建筑物的稳定性决定了人们的生命安全是否能得到保障，稳定的建筑物可以保证自然灾害发生时的自身稳定性，在一定程度上为保护生命安全提供保障。对建筑物进行隔震和减震的设计就是为了增强建筑物的稳定性，通过技术手段及建筑工艺等措施，让建筑物的稳定性得到提高与增强，从而对不可抗力因素进行有效防御［1-2］。

2 建筑隔震和消能减震设计所适用的范围

地震是一种经常发生的自然灾害，它对人们的生命安全有着严重的危害，对于生产和生活也造成了很大的不良影响，所有的建筑项目都需要考虑应对地震的设计。

国家和社会对生产和生活安全都非常重视，对于建筑物的抗震能力要求越来越高，随着社会的发展和科技的进步，在隔减震措施方面取得了很大的技术突破，越来越多的建筑通过采用隔减震的方法来保证建筑物的稳定性。将隔震减震的技术应用到所有的建筑物设计中，是我国对建筑行业安全性保障的必然要求。

3 隔震和消能减震设计目前存在的一些问题

建筑结构是支撑整个建筑物的框架基础，结构设计一旦出现问题，就会对整个建筑的安全性、合理性产生巨大的影响，所以，必须要确保建筑结构设计能够有效开展。隔震和消能减震作为一项新的技术，在不断地进步和发展，通过大量的实践检验及理论知识的支撑得到逐步的完善。隔震和消能减震技术的实用性及安全性还需要进一步加强研究，对于存在不足的地方还需要进行不断的改善。在隔震与消能减震技术的广泛使用过程中还存在一定的局限性。

参与设计和施工的人员已经对隔震和消能减震技术有了一定的了解，并且清楚这两项技术可以带来的好处。但对这两项技术的实际掌握程度还不够，对于技术的使用情况及使用效果还不能做到有效的保证，实现隔震和消能减震技术的有效使用还需要一定的时间。

隔震和消能减震技术的使用会带来建筑工程的建设成本的增加，且每一种隔减震的技术都有其优点和缺点，结构设计及施工的相关工作人员应根据建设位置的实际地质情况及建筑本身的隔减震需求来进行防震技术的选择，通过综合分析各方面的因素，来制定出最适合该建筑的隔减震设计方案［3-4］。

4 隔震和消能减震在结构设计方面的叙述

隔震和消能减震是增强建筑物抗震能力的重要方式，通过隔震和消能减震设计，在发生地震时，能够确保建筑物有效地降低危险。

隔减震技术主要是对地震波进行缓冲和消除，避免地震波能量过多地波及建筑物。隔震设计所使用到的技术方法是铺设隔震层，通过隔震层，将建筑结构进行分离，在发生地震时，隔震层可以缓冲地震波带来的冲击力。隔震层的设置将地震发生时建筑物所发生的晃动能量转变成建筑物相对于地面的横向移动。通过隔震层对地震波进行隔离和吸收，可以减少地震带来的地震波对建筑物的破坏，减轻建筑物的摇摆程度，从而达到避震的效果。消能减震的原理则是借助阻尼器将地震发生时产生的震动进行震动时间的延长，从而减缓震动幅度，并最终通过增加阻尼比来实现建筑物抗震能力的增强。

5 在提高建筑物结构的性能时所采用的主要方法

隔减震目标是借助一些辅助的结构材料或构件来完成的，通过增强建筑对外力的抵抗能力，把发生地震时带来的震动和冲击波进行削弱，从而增强建筑物抗震的能力，减少地震灾害给建筑物造成的损坏。通常情况下，消耗地震能量的材料、构件及排布安放情况需要通过科学合理的设计来确定，一般将这些结构部件放置在建筑物变形风险比较高的地方，通过这些部件，可以提高建筑物的稳定性，极大程度地减弱地震带来的震动和冲击波。把隔减震部件放在建筑物的两个主轴方向，可以大大提高这两个方向的强度，提升抵抗地震的能力。

隔减震措施不仅可以在新建设的建筑中加以运用，对建筑物的关键构件进行有针对性的处理，起到减震的效果，还能够应用于已经建设完成的结构中，起到提高建筑物刚度的作用，实现对原有结构的加固处理，以此来增强对地震的抵抗能力。在对建筑结构进行抗震性能提升的设计时，需要在建设项目开始施工之前进行，根据现场的实际情况，进行隔减震方案的设计，制定符合该建设项目的隔减震措施，保证项目在满足隔减震需求的施工方式下进行施工。

想要尽量地减少地震灾害对于建筑物整体的影响，可以在进行建筑物的建设时提前在主要承重部位进行隔减震装置的设置，也可以在建筑项目完成以后再对建筑整体进行加固。借助特殊部件和设备对地震所产生的能量进行消耗，减少地震波对于建筑物结构的损坏，以此来保证建筑物主体的稳定性和安全性。建筑物整体结构的抗震能力与消能减震装置的抗震能力呈正相关，当消能减震装置抵抗地震力的能力增强时，对于建筑物本身主体结构，可以适当地降低抗震标准，降低的程度要按照地震造成的危害系数及消能减震装置的减震系数来进行计算［5］。

6 应用在建筑结构中的一些具体的减震方法

6.1 悬挂隔震法

悬挂隔震的方法就是将主体结构采取悬挂的方式来进行设计和施工，这样在地震引起地面震动时，冲击波带来的冲击力可以避免传导到主体上，减少了主体质量所产生的惯性力，借助这个方法来提高减震的效果。悬挂隔震的方法主要使用在大型的钢结构里面，钢结构本身就具有悬挂的体系，使用在钢结构上，可以有效地提高减震的效果。大型的钢结构主要由两部分组成：主体框架结构和子结构，可以通过吊杆进行子结构的悬挂，通过悬挂来承担子结构的质量。这个悬挂体系可以大大地分散主框架和子结构之间的距离，阻滞地震发生时的力量传递，对整个结构在地震状态下的响应做出控制［6-7］。

6.2 对于建筑物的地基部分使用特殊的材料

对建筑物的基础隔震处理，指的是将建筑物的基础结构进行有针对性的抗震性能加强处理，当地震发生时，有效地对地震波进行消耗和阻挡，尽量减少地震对建筑物带来的危害。比较常用的方法是对建筑的基础结构部位进行隔震处理，在基础建设之前，铺设沙子和黏土形成垫层，或者将沙子和黏土进行交替铺设。还有一些特殊的施工方式会借助糯米对基础结构部位进行垫层设置，通过垫层设置来达到减轻地震危害的目的。最新的研究显示，以沥青为基础原料进行相关材料的混合和加工，得到的新型材料可以使得隔震的效果更加明显。

6.3 建筑结构的层间隔震方法

层间隔震结构的原理是把建筑结构本身的抗震能力与隔震构件进行结合。在既有的建筑结构中安装耗能减震的装置，这种装置通过隔震支座与原结构进行组合，并进行层间隔震处理，该方法主要使用在对于旧房的改造施工项目中，操作起来也比较简单。相比于在基础结构部位安放隔震装置的方式，层间隔震所发挥的隔震作用较小，作用效果不是很明显。层间隔震的作用效果虽然没有基础隔震的隔震效果好，但是可以依靠原本建筑物的隔热层和结构上面的夹层对其进行科学的改造，以此来增强隔减震的效果。从实用性和便捷性方面来看，层间隔震方法很有发展潜力［8-9］。

6.4 对基础进行隔震处理

地基和基础设计在建筑物的整体结构设计中是非常重要的两项内容，进行隔震设计时，自然少不了对地基和基础的隔震处理。在进行隔震设计之前，需要从建筑物的实际特点出发，结合所使用的材料的特点，对隔震设计的方法进行综合考虑，得出最恰当的隔震设计方案。地基是建筑物直接与土层接触的部分，也是发生地震时传导地震波的主要结构，做好地基和基础的隔震设计，可以有效避免地震发生时对整体建筑物的伤害。

进行基础隔震的原理就是将隔震的装置放置在上部结构和基础结构中间，当发生地震时，可以有效地阻挡地震力向上传递，避免传递到上部的结构中，通过这种方式，可以减轻上部结构由于地震而产生的响应。基础隔震的方法在多层建筑中使用得比较多，小高层建筑中，如果建筑整体的形状比较规则的话，也可以使用基础隔震的方法。但是，基础隔震的方法在高层建筑中的使用效果不是很明显［10-11］。

7 建筑物在进行抗震设计时要注重的问题

地震是由于地壳的运动引起的，地质情况对地震的形成有着巨大的影响。很多房屋倒塌受地震波的走向影响特别大，对于地震的走向问题的判定主要是根据发生地震以后房屋产生震动的方向，因此，在进行建筑物的选址时，要充分地考虑地震的走向问题，对选址地的地质条件进行充分的分析和研究，以此来了解地震的走向。通过以往的地震震害情况来看，在发生地震的地区，建筑物的方向和地震的走向是平行关系时，非常容易造成建筑物的坍塌；而建筑物的方向和地震的走向为垂直时，建筑物的坍塌概率就很低。因此，建筑物的建设方向要尽量和地震的走向保持垂直，以此来减少地震走向对建筑物造成的危害。

8 无粘结支撑体系在减震设计当中的作用

无粘结支撑体系在所有的减震体系中是对地震的敏感度最高的。该体系通过保证外包的钢管和内核钢之间不发生粘结，或者通过在两者中间涂上不会发生粘结的漆，形成一种滑移的接触面来实现。需要保证支撑的两端内核钢支撑部位的裸露，而在内核钢支撑的中间部位加上外包层，使用螺旋栓对二者进行连接，确保产生的拉力及压力都可以在内核钢支撑的承受范围之内。对于滑移面所使用的材料及大小尺寸，都需要进行精确的设计及精密的施工，保证外包层和内核钢进行相对滑动时的运动状况受到控制。对内核钢支撑可能会发生的变形进行控制和约束，可以有效地降低在压力影响下产生的内核钢支撑变形情况。无粘结支撑体系的设计也存在着一定的缺陷，对于所使用到的附件计算精确度和设计方面的一些问题的要求非常的严苛。无粘结支撑体系所存在的建筑物中，建筑物的整体重量是由内钢来进行支承的，外钢的主要作用是对重量进行辅助支撑，通过外钢的辅助效果来提高内钢的支承效果，极大程度上降低了内钢弯曲的概率。