建筑结构减震设计研究——张忠良

建筑结构减震设计研究张忠良（成都艺术职业学院，四川省正旭建设工程有限公司；身份证号：510623198112213515）摘要：本文主要探讨建筑结构减震设计的一些实用的方法，研究国内外的一下消能减震设计方法与优化设计，结合工程项目的具体情况选择组合方式进行建筑结构减震设计，望能抛砖引玉，引出同行更优的方法与思想。关键词：建筑结构，减震设计，结构控制理论地震灾害对人类的各种建筑的破坏，使人们意识到，建筑应具有足够抵抗地震灾害破坏的能力。近百年来，各国建筑抵抗地震灾害打击破坏的方式，基本都是大大提高建筑物结构的强度与刚度，以此来对抗地震作用的打击，然而地震——这种不可抗拒的自然灾害，仍然严重的破坏和毁灭人类的各种建筑，给人类的生命和财产造成巨大的伤害和损失。世界各国的专业人士对建筑结构抵抗地震破坏的研究进行了几十年，现在终于意识到，人类自己设计建造的各种建筑，对地球自身释放能量产生的地震破坏是无法对抗的。因而，许多专家学者又都在寻求一种与地球自然规律不产生对抗或抗拒的减震设计方法，去适应“地震”这种不可抗拒的自然现象，这是人类对客观规律——地震释放地球内力的正确认识。建筑结构减震的设计的主要目的，是通过一种减震的装置（或构件），将不可抗拒的地震力与建筑物隔离开来，从而达到减少地震冲击力的破坏，使建筑物可以继续安全使用，这不是一件简单的设计工作。它需要既减小地震力的大小，又不能造成建筑变形过大、不稳定，甚至倾覆的危险。建筑结构减震设计的理论和试验研究及震害实践表明，如果要求建筑结构在遭受地震作用下不破坏或不倒塌，至少应具备下列两个条件之一：结构的主要部位有足够的强度储备；结构的主要部位对地震作用下的强迫变形有充分的适应能力。如果只是单纯满足前者，往往需要耗用过多的材料，而且若遭受更强烈地震作用，结构仍可能破坏或倒塌。从而提出结构抗震设计按两阶段设计，一是在弹性阶段按强度控制，二是在弹塑性阶段按变形控制。这样设计出来的建筑结构，既有足够的强度，又具有较大的延性及耗能能力，能一定程度地适应强烈地震对结构产生的强迫变形。一、建筑的延性设计1、对建筑破坏构件的控制在分析框架和抗震剪力墙结构倒塌模式的基础上，提出对破坏构件进行控制，使之发生期望的破坏形式，达到破坏影响在可控的范围内，使建筑结构既具有足够强度，又具有足够延性的目的。实现途径是在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰，对塑性程度及区域进行控制，使得结构在强震时能形成最佳耗能机构。2、对梁的延性设计当连续梁的跨高比为5时，梁的延性和耗能性能都很好，连续梁两端相对竖向位移的延性系数都在8以上，而且滞回曲线也相当饱满。当连续梁的跨高比降到1时，连续梁两端相对竖向位移的延性系数则降至3左右，而滞回曲线严重干扁，耗能很小，延性很低，最后在弯剪作用下破坏。抗震剪力墙的刚性连续梁，其跨高比往往仅为1左右，若要使其工作在弹塑性阶段作耗能构件，则需要对它的构造采取一定措施，以适应延性和耗能的要求。措施之一：是在0.5倍梁高的中心面上留一水平通缝；然后，在水平通缝的上下两侧各埋置钢板，；再后，在钢板上开有椭圆形的螺栓孔；最后，用高强螺栓把这两块钢板联结。在竖向荷载、风荷载和小震作用下，高强螺栓把水平通缝分开的两部分连续梁联结成整体而共同工作，使刚性连续梁整体刚度不变，以保证其工作在弹性阶段；在强烈地震作用下，两块钢板发生相对滑动，原来跨高比为1的刚性连续梁将被分成两根跨高比为2的小梁协同工作。这样的设计方案，不仅使延性系数由原来3提高为10左右，还因为两块钢板之间的滑动摩擦，使其耗能能力也得到了一定程度的改善。3、对柱的延性设计虽然设计师们都不希望塑性铰发生在柱上，但是它们仍需具有一定的延性和耗能能力，才能保证强烈地震下建筑不倒坍。试验表明，采用螺旋箍筋的方式能较大程度地提高柱的延性和后期抗轴压的能力。综上所述，建筑结构本身的延性耗能设计是可以靠提高建筑结构构件的延性耗能能力来实现的。建筑结构的延性耗能设计只能从建筑材料的配置数量和构造方式来实现，从而提高建筑结构的抗震性能。二、建筑结构的耗能减震设计建筑结构的耗能减震设计方法很多，但其基本思想是通过设计主动或被动的结构特殊体系的方式，使得建筑结构在强震时所受到的实际地震作用大大减小。这样设计的建筑结构强度和变形能力就无需像弹性法及延性耗能设计要求的那么高。因此，建筑结构的减震技术就有着极其广阔的发展和运用前景。1、建筑结构的吸震耗能设计这种方法主要是在建筑的主体结构上安装特殊的附加结构（如液压减震器、弹簧减震器等），地震时，这些吸震器会发生运动而吸收大量的振动能量，从而减轻建筑主体结构的振动效应。还有一种方法是在筒中筒结构楼板与内筒壁处设置分缝（也可以设置类似液压减震器的设施），内外筒组成动接触体系，通过振动时两部分的微碰撞而互相吸能，降低整个建筑结构的地震反应。2、建筑结构的阻震设计在建筑结构的一些连接处或一些构件上装上一定数量的阻尼器，通过这些阻尼器的较大阻尼力去减少建筑结构的振动响应。如果阻尼器的性能可靠，则结构的减震效果是稳定可靠的。主要方案有:（1）、在高层框架核心筒体的连接处，采用弹簧钢杆摩擦减震器和砂质减震器；（2）、在结构的抗震缝、伸缩缝或沉降缝处，放置扭转梁阻尼器或挤压铅阻尼器；（3）、耗能横缝填充墙：主要是在填充墙上设置耗能横缝。这种墙的左右与框架柱脱开，下部与框架固接，上部由水平耗能缝通过耗能器与框架相连。3、建筑结构的隔震设计这种设计方法是目前在我国研究得最多的方法之一。其基本原理是：在地震作用激烈的传递路线上设置隔震层，使通过隔震层传到结构上的地震作用中断或减少。这种设计方法有一个特点：通常伴随有阻震设计。其原因是隔震层同时设有特殊阻尼材料。三、建筑结构的动力优化设计建筑结构控制与减震设计的方法在具体实施时，还会存在一个优化设计问题，比如：吸震器和阻尼器的设置参数与位置的优化；人工塑性铰的位置、数量及次序的优化；隔震体系的相对滑移量与隔震效果之间的优化等。本文以框架抗震剪力墙结构为例，介绍结构的动力优化设计。建筑破坏构件控制的理论要求：对框架结构，在中震时塑性铰仅出现在梁两端；在大震时才会在柱根部出现塑性铰，以形成梁式侧移机构，在任何情况下节点始终处于弹性状态。对于抗震剪力墙结构，在中震时塑性铰仅出现在连系梁两端；在大震时才在墙体根部出现塑性铰。根据实际震害和试验研究的墙体先于框架破坏的规律，通过对结构的优化分析得知，框架—抗震墙结构的最佳耗能机构为：在中震时，塑性铰仅依次出现在连续梁两端、墙体根部及框架梁两端；在大震时才会在框架柱根部出现塑性铰。通过调整框架与抗震剪力墙的侧移刚度比、柱轴压比、框架梁与柱及连系梁与墙体的强度比等参数，并保证梁端、柱端和墙体根部不发生剪切破坏(或滑移)，就可以控制框架-剪力墙结构的连系梁、框架梁、柱、墙体的开裂和屈服顺序，从而达到控制整个框架)剪力墙的工作状态。其中，对带钢板的梁(在0.5倍梁高处设有水平缝与钢板)的双肢抗震墙，通过建筑结构优化分析得知，对带钢板的连续梁的最佳位置约在抗震墙总高度的0.5倍处，带钢板的（刚性）连续梁的弯曲刚度宜等于普通连续梁弯曲刚度的100倍左右。这样设计的抗震剪力墙墙，在弹性阶段，建筑结构的整体性增强，侧向变形减小，比普通的联肢抗震剪力墙具有更强的抗侧向力能力；在弹塑性阶段，刚性连续梁将被分成两根0.5倍跨高的小梁协同工作，抗震剪力墙侧向刚度减小，延性和耗能能力增加。通过调整刚性连续梁的位置、弯曲刚度和配筋率等参数，可控制普通连续梁和带钢板的（刚性）连续梁的内力及梁端开裂和屈服顺序，从而达到控制整个剪力墙的工作状态。结束语总之，建筑结构的减震设计方法众多，但各种方法均有优点和缺点，应当结合建筑结构抗震设计的具体情况选择其中几种进行优化组合。合理的结合使用荷载、风载和地震作用等以及抗震设防“三标准和两阶段”适当的选择减震的方案和设置参数。参考文献：[1]潘鹏，叶列平，钱稼茹，邓开来，何瑶；建筑结构消能减震设计与案例[M]；清华大学出版社，2014年1月[2]中国建筑标准设计研究院；建筑结构消能减震（振）设计（09SG610-2）[M]；中国计划出版社；2009年4月[3]陈海卫；振动控制技术的发展及存在问题的探讨[J]；福建建设科技；2010年01期[4]刘鸣；结构振动控制的应用及若干问题[J]；长安大学学报(建筑与环境科学版)；2003年04期[5]许海龙；建筑结构振动控制概述[J]；山西建筑；2009年09期