建筑隔振消能减震技术探讨

现代商贸工业　Ｎｏ．１５，２０１１　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｔｒａｄｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　２０１１年第１５期　建筑隔振消能减震技术探讨　安木旺赵清威　（机械工业第六设计研究院，河南郑州４５０００７）　摘　要：针对地震这种严重的自然灾害对建筑物的不利影响，分析介绍了隔震及减震的原理及工程应用方法，并对这　些方法的优缺点进行了分析比较，为实际建筑结构的隔震及减震分析提供了参考。　关键词：隔震；消能减震；振动控制　中图分类号：Ｘ９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—３１９８（２０１１）１５－０２５５—０２　１．３　冲击人类社会的正常运行秩序和造成大量的经济损失　１地震的危害　建筑物除了承受竖向荷载外，还要承担风和地震水平　唐山地震的直接经济损失近百亿元，震后重建投资达　百亿元。１９９５年，日本阪神地震中经济损失超过１０００亿美　荷载的作用，建筑物越高，这个水平荷载效应就越明显。我　城市化使人口和财富高度密集，　国４ｌ　的国土、５Ｏ　以上的城市位于地震烈度７度以上的　元。随着经济的高速发展，强烈地震造成的伤亡和损失将越来越大，地震后的修复和　地区，面临的地震灾害形势非常严峻。　地震是人类面临的最严重的突发性的自然灾害之一，　城市的复兴就越有难度，对国家经济发展和社会稳定的冲　击也将更为剧烈。　对人民的生命和财产安全造成很大的危害。　１．１　造成大量人员伤亡　２传统抗震方法　地震造成的破坏给人类留下的烙印是深刻的。而我们　１９７６年唐山发生的７．８级强烈地震，顷刻间，百余万人　口工业城市被夷为平地，造成２４．２万人死亡，１６．４万余人　结构工程师们一直没有停止过对建筑物抗震的研究。建造　重伤。自１９００年有记录以来，我国死于地震的人数达５５万　抗强烈地震的建筑物和构筑物成为建筑工程领域重要的课　之多，占全球地震死亡人数的５３　。　１．２破坏人类赖以生存的环境　题。为了抵御地震灾害，通常的建筑结构设计采用的是抗　震设计，强调的是“抗”，即采用“延性结构体系”适当控制结　震时，进入非弹性状态，并且具有较大的延性，以消耗地震　自我国１９００年有记录以来，地震成灾面积达３Ｏ多万平　构物的刚度，但容许结构构件（如梁、柱、墙、节点等等）在地　方公里，房屋倒塌达７００万间。　的水平提高与质量得以改善。针对于深井的地层、地质特　泥环的破碎和封固质量下降，裂缝大时则可能导致层间互　点以及钻井施工工程的情况对套管强度设计、套管柱居中、　窜，同时地层流体进入水泥石裂缝后，时间久些会对水泥石　注水泥流设计等制定了合理的施工设计技术措施：　造成腐蚀，致使了水泥环封固失效，直接影响到油气田的生　是深井套管浮鞋、浮箍，深井浮鞋、浮箍实现了深敞　产和开发运作。运用改性纤维与活性颗粒为主要材料的早　压候凝，解决了深井高温高压条件套管串附件密封问题；二　强增塑剂，可以增进塑性水泥的抗冲击能力，从而加强了水　一是由于扶正器的不断发展并加上完善运用，原本的刚性、弓　泥石弹塑性，满足小间隙油层套管的后期作业要求。　形扶正器经过改造最后成为弹性限位扶正器，扶正器的改　３　结语　造运用，满足了深井作业对套管扶正的需求。但是深井作　总之，在固井施工的目的是为了有效提高固井质量，因　业必要的时候还是需要刚性扶正器，合理运用施工道具可　此，在常规水泥浆要求下，要使用低失水、低收缩、早强度要　以提高施工顶替效率；深井水泥外加辅助剂是抗高温、低失　高的水泥浆，同时要不断的优化水泥浆配方；同时套管施工　水性能的水泥外加剂，在像高于１２０℃的深井作业中，能有　工序也值得注意，对于不同的套管种类，要选择合理的固井　效实现对其控制性，其有抗高温、控制失水、增强水泥强度　方式，提高其顶替效率，以保证在高压高温条件下，正确科　的特性；实践固井作业中，应用低密度水泥，可以有效防止　学施工，促进井中作业有效提高固井质量。　泥浆渗漏，以实现防控油气污染；同样因为深井作业中固封　参考文献　段长、施工的压力就相对较大、地层破裂压力也较明显，因　此，要予以采用双密度水泥工艺固井；在深井作业中的配套　［１］董大秋，杨鹤红．提高油田固井质量的施工措施探析［Ｊ］．价值工　程，２Ｏ１０，（２７）．　施工应采用抗压、抗高温防窜通性水泥浆；抗高温固井作业　　以ＤＰＦ２为降失水剂，而中高探井则多数采用ＤＳＨＪ降失水　［２］钱傻，徐德安，刘金余．固井质量检测及评价技术的对比分析［Ｊ３．剂。需要中深探井及深井普遍应用ＤＳＨＪ降失水剂。　２．３塑性水泥浆的运用　就一般情形而言，水泥浆可以说脆性材料，由于其抗拉、　抗压能力相对较差。所以在深井小井眼，间隙较小的水泥作　ｄ、型油气藏，２００７，（４）．　［３３董大秋，杨鹤红．提高油田固井质量的施工措施探析［Ｊ３．价值工　程，２Ｏ１０，（２７）．　业中，井壁水泥环又较为薄弱。其在油气层射孔和增产措施　中，水泥环受到较大的冲击、振动和内压力作用，从而造成水　［４３陶晓，陈向军，李景辉．影响套管内侧钻固井质量因素分析与对策　［Ｊ］．内蒙古石油化工．２０１０，（１４）．　［５］钱俊，徐德安，刘金余．固井质量检测及评价技术的对比分析［Ｊ］．　小型油气藏，２００７，（４）．　作者简介：安木旺（１９８２一），男，河南郑州人，工程师，工学学士，管理学学士，主要从事建筑设计工作；赵清威（１９８Ｏ～）男，河南　南阳人，工程师，工学学士，主要从事建筑设计工作。　现代商贸工业　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｔｒａｄｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　能量，减轻地震反映，使结构物“裂而不倒”。　这种体系在很多情况下是有效的，但也存在很多局限　性：首先，由于结构物的承重构件在地震时进入非弹性状　态，对某些重要的结构物是不容许的（纪念性建筑、装饰昂　贵的现代化建筑、原子能发电站等）；其次，对于一般性建　２０１１年第ｌ５期　用需要将传统的建造技术与高新技术相结合，使结构的安　全保障系统成为智能结构的重要组成部分。如在建筑物基　础安装像汽车安全气囊的感应气垫，一旦地震来临，纵波感　应器启动，在横波能量对建筑物造成破坏前感应气垫膨胀　并把来自于纵波的能量进行消能。真正实现了像汽车一样　筑，当遭遇超过设防烈度地震时，由于主体结构已发生严重　的智能减震体系。　非弹性变形，在地震后难以修复或在强地震中严重破坏，甚　３．３隔震与消能减震的效果　　明显有效地减轻结构的地震反应　至倒塌，其破坏程度难以控制；再次，随着地震强度的增大，　３．３．１结构的断面和配筋都相应增大，造成经济的“浪费”。　３隔震、消能减震　３．１　隔震与消能减震原理　隔振、减震控制的基本原理是在结构构件之间或建筑　物与基础之间设置隔震、减震装置，通过隔震、减震装置的　耗能特性，减小振动能量向周围环境的传递，达到减小振动　对周围环境影响的目的。　３．２隔震与减震方法　３．２．１粘弹性阻尼结构　粘弹性阻尼结构的风洞试验、地震模拟振动台试验及　大量的结构分析表明，在结构中安装粘弹性阻尼器可减小　风振反应和地震反应４０　～８Ｏ　，可确保主体结构在强风　和强震中的安全性，并使结构在强风作用下，结构的舒适度　控制在规定的范围内。西雅图哥伦比亚中心大厦起初是因　为在风振的影响下，顶部几层有明显的不舒适感，安上粘弹　性阻尼器后，不再有不舒适感，效果良好。若采用加大刚度　的方法来获得同样的效果，需要把现有的柱尺寸扩大一倍，　粗算价值约８００万美元，显然采用增加刚度的办法是难以　接受的，而采用粘弹性阻尼器所用的试验及安装费用仅７Ｏ　万美元。在北京的银泰中心也设置了粘滞阻尼器，试验结　构证明有很好的减振效果。由此可见，采用粘弹性阻尼器　减小建筑的风振或地震效应在经济上是相当可观的。　３．２．２吸能减震　吸震减震是通过附加子结构，使结构的震动发生位移，　即使结构的振动能量在原结构与子结构之间重新分配，从　而达到减小结构震动的目的。目前，工程结构应用的吸震　减震装置主要有：调谐质量阻尼器（简称ＴＭＤ），调液（柱）　阻尼器（简称ＴＩ　Ｄ或ＴＬＣＤ）悬吊质量摆阻尼器（简称　ＳＭＰＤ）和质量放大器。屋面上的水箱也起到一定的减震效　果，相当于ＴＭＤ。　３．２．３金属阻尼器　是在框架中加屈曲约束支撑，在常规荷载下，起到支撑　的作用，而在地震作用下，金属支撑通过塑性变形来消耗地　震的能量，从而起到保护主体结构的作用。这在抗震加固　的工程中得到广泛的应用。拟建的首都规划大厦设置了柱　闯“人”字型支撑，大大减小了地震力的影响　３．２．４冲击减震　冲击减震是依靠附加活动质量与结构之间的非完全弹　性碰撞达到交换动量和耗散动能进而实现减小结地震反应　的技术。实际应用时，一般在结构的某部位（常在顶部）悬　挂摆锤。结构震动时，摆锤撞击结构使结构震动衰减。另　外，摆锤还兼有吸振器的功能。　３．２．５　更为先进的减震体系　前面所提到的是被动的控制地震力的方法，现在随着　科技的发展，主动和半主动控制也正在被广泛地研究中，它　是在不同学科和专业之间开展合作和交叉研究，开发使用　的感应和接收装置、结合控制专业的配套技术，形成新的产　业，以支持新技术的推广应用。结构振动控制的研究和应　一２５６一　从振动台地震模拟试验结果及美国、日本建造的隔震　结构在地震中的强震记录得知，隔振体系的结构加速度反　应只相当于传统结构（基础固定）加速度反应的１／１０～１／３。　这种减震效果是一般传统抗震结构所望尘莫及的。从而能　非常有效地保护结构物或内部设备在强地震冲击下免遭任　何毁坏。　３．３．２确保安全　在地面剧烈震动时，上部结构仍能处于正常的弹性工　作状态。这既适用于一般民用建筑结构，确保居民在强地　震中的绝对安全，也适用于某些重要结构物和重要设备。　（如医院、实验室、核电站）　３．３．３　降低建筑物造价　从汕头、广州、西昌等地建造隔震房屋得知，多层隔震　房屋比传统多层隔震房屋节省房屋土建造价：７度区节省　３　～６　，８度区节省８　～ｌ４　，９度区节省１５　～２Ｏ　。　并且安全度大大提高。　３．３．４抗震措施简单明了　抗震涉及的对象从考虑整个结构物的复杂的不明确的　抗震措施转变为只考虑隔震装置，简单明了。结构物本身　与一般非地震区的做法无异，设计施工大大简化。　３．３．５震后修复方便　地震后，只对隔震装置进行必要的检查更换。而无需　考虑建筑结构物本身的修复，地震后可很快恢复正产生活　或生产，这带来极明显的社会效益和经济效益。　３．３．６为设计提供空间　在满足设计要求的情况下，结构构件的尺寸可能做的　很小，这样能够留给建筑师更大的创作空间，做出更加纤细　灵巧的建筑物。　４结语　耗能减震技术为建筑的抗震设计和抗震加固提供了一　条崭新的途径，它克服了传统结构“硬碰硬”式的抗震设计　方法，具有概念简单、减震机理明确、减震效果显著，安全可　靠等特点。虽然现有的规范和规程对这方面阐述的不够完　善，现行的国内软件也没有提供这方面的计算程序，不过可　以预言，耗能减震技术以其不可忽视的优点，将成为２１世　纪建筑减震防灾的重要手段和方法，为减轻地震对人类造　成的危害作出巨大贡献。为人类营造一个更加安全舒适，　更加绿色环保的工作和生活环境。　参考文献　［１］郭靳时，孔枫，孙健．结构隔震设计方法与应用［Ｊ］．吉林建筑工程　学院学报．２００５，（１）：１５一ｌ７．　［２］董艳英．阻屈耗能支撑（ＢＲＢ）系统耗能的全过程有限元分析［Ｄ］．　河北理工大学，２００５．　［３３颜鹏．刚性连接钢框架——内填钢筋混凝土剪力墙结构体系的滞　回性能及抗震设计对策［Ｄ］．西安建筑科技大学，２００６．　［４３粱本亮，吕西林．基于Ｗｅｂ的超限高层建筑工程抗震设计信息系　统［Ａ］．第十三届全国工程建设计算机应用学术会议论文集Ｉｔ］．　２００６．